典型深冷压力容器进液管道的应力分析及结构优化

发布时间：2017-07-06 18:12

  本文关键词：典型深冷压力容器进液管道的应力分析及结构优化

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【摘要】：深冷容器的工艺管道在常温下安装,在低温下工作,两者的温度差有的能达200℃以上,会产生较大的温差应力。如果设计、制造不当,极有可能导致管道在使用中应力过大而破坏,影响容器的正常工作。目前在相关深冷容器的设计标准中,并未有管路设计的具体方法及指导性原则。鉴于此,本文以某企业实际使用的典型立式深冷容器为研究对象,采用数值模拟方法研究了顶部进液管和底部进液管的应力分布规律,发现了其设计的不足。在此基础上提出了减少管道应力的结构优化方法,数值模拟研究表明,通过合理设置类π型补偿器结构,可降低管道以及与容器相连部位的应力,提高深冷容器的安全裕度。本文的主要研究内容及成果如下：(1)采用有限元数值模拟方法,研究了某企业实际使用的典型立式深冷容器的进液管的应力分布规律,研究表明该顶部进液管及底部进液管的局部应力过大,管路布置中存在问题,需对其进行结构优化。(2)对立式深冷容器顶部和底部进液管进行了结构优化设计研究。提出了符合深冷容器结构特点的类π型补偿器结构,并采用有限元方法研究了类π型补偿器相关尺寸参数对管道应力的影响规律,给出了合理的类π型补偿器结构尺寸,有效降低了顶部较长进液管以及底部较短进液管的应力水平。(3)对比研究了管道结构优化前后封头与顶部进液管连接区域的应力分布规律。研究表明在管道结构优化后,封头与顶部进液管连接区域的应力水平有明显下降,在最大应力强度路径上,薄膜应力降低了31%,薄膜应力+弯曲应力降低了40%。
【关键词】：深冷容器 管道 温差应力 有限元分析 优化设计
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.1.1 深冷容器的工程应用10-11
• 1.1.2 深冷容器的结构特点11
• 1.1.3 研究意义11-12
• 1.2 目前降低温差应力的常用措施12-14
• 1.2.1 膨胀节/波纹管在深冷容器中的局限性12-13
• 1.2.2 线膨胀系数小的低温管道材料13-14
• 1.3 深冷容器管道的设计规则14-15
• 1.3.1 低温界限的确定14
• 1.3.2 管路应力的校核准则14-15
• 1.4 深冷容器接管的数值模拟15-17
• 1.4.1 有限元方法的介绍15-16
• 1.4.2 有限元软件的介绍16-17
• 1.5 相关实验17-18
• 1.5.1 管道材料本构关系的获取17
• 1.5.2 线膨胀系数的测定17-18
• 1.6 存在的不足及本文的研究内容18-19
• 1.6.1 目前存在的不足18
• 1.6.2 本文主要研究内容18-19
• 第2章 深冷容器进液管的应力分析19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 深冷容器接管的相关参数19-20
• 2.2.1 深冷容器的结构参数19
• 2.2.2 接管的材料参数19-20
• 2.2.3 接管许用应力的选取20
• 2.3 深冷容器接管的有限元分析20-23
• 2.3.1 管单元与实体单元的选择20-21
• 2.3.2 接管的有限元模型21-22
• 2.3.3 所用单元简介22-23
• 2.4 管路载荷及边界条件23-24
• 2.5 进液管的数值分析结果24-26
• 2.5.1 顶部进液管的有限元分析结果24-25
• 2.5.2 底部进液管的有限元分析结果25-26
• 2.5.3 进液管仅承受某种载荷时的最大主应力26
• 2.6 管单元的数量对计算结果的影响26-27
• 2.7 内压对最大主应力的影响27-28
• 2.8 小结28-29
• 第3章 深冷容器进液管的结构优化29-52
• 3.1 引言29
• 3.2 弯曲半径的选择29-31
• 3.3 π型补偿器31-33
• 3.4 类π型补偿器结构33-41
• 3.4.1 环绕半径R34-36
• 3.4.2 相对位置h36-37
• 3.4.3 竖直高度B37-38
• 3.4.4 圆弧角度α38-40
• 3.4.5 环绕半径R和圆弧角度a40-41
• 3.5 底部进液管的优化设计41-44
• 3.5.1 弯曲半径R42-43
• 3.5.2 竖直高度h43-44
• 3.6 管道布置规则在实际中的应用44-46
• 3.7 选用9%镍钢时的管道应力分析46-48
• 3.7.1 选用9%镍钢时顶部进液管的有限元分析46-47
• 3.7.2 选用9%镍钢时底部进液管的有限元分析47-48
• 3.8 两种优化方案的比较48
• 3.9 类π型补偿器在不同规格容器上的应用48-51
• 3.10 小结51-52
• 第4章 优化前后深冷容器接管对封头的应力分析52-58
• 4.1 引言52
• 4.2 接管与封头的连接形式52
• 4.3 管道优化前后对内容器封头应力的影响52-56
• 4.3.1 有限元模型52-53
• 4.3.2 承受载荷及边界条件53-54
• 4.3.3 应力分析结果54
• 4.3.4 强度评定线的确定54-56
• 4.4 管接头的厚度对应力强度的影响56-57
• 4.5 小结57-58
• 第5章 结论与展望58-60
• 5.1 本文总结58-59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 攻读工程硕士学位期间撰写的论文65

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本文编号：527263