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高压容器(高压容器操作证在哪考)

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1问题描述某大型钢铁企业有一台直径为φ700的立式储罐,设计压力为13.5MPa,设计温度为200℃,工作压力为12.3MPa,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3。其他基本设计参数如表1所示,高压储罐结构图如图1(a)所示,高压储罐上半部分的结构尺寸如图1(b)所示,现要求运用有限元法对该高压储罐进行应力仿真分析和结构优化。表1 高压储罐的基本设计参数筒...

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问题描述

某大型钢铁企业有一台直径为φ700的立式储罐,设计压力为13.5MPa,设计温度为200℃,工作压力为12.3MPa,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3。其他基本设计参数如表1所示,高压储罐结构图如图1(a)所示,高压储罐上半部分的结构尺寸如图1(b)所示,现要求运用有限元法对该高压储罐进行应力仿真分析和结构优化。

表1 高压储罐的基本设计参数

筒体材料

16MnR

封头材料

16MnR

工作介质

CO、蒸汽

筒体内径(mm)

700

筒体厚度(mm)

36

筒体长度(mm)

9500

总高度(mm)

11000

上封头厚度(mm)

18

上封头接管半径(mm)

44

高压储罐的基本结构示意图如图1所示:

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图1 高压储罐的结构示意图

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高压储罐的仿真分析

2.1几何模型的建立

由于高压储罐结构的对称性,且储罐内压强处处相等,在仿真分析过程中,取储罐上半部分进行有限元分析,储罐上半部分结构如图1(b)所示,将其进行简化为有限元几何模型如图1(c)所示。通过有限元软件自下而上建立的分析模型如图2(a),采用8节点solid 183单元,使用三边形和四边形相结合的网格映射法进行网格划分,为了得到较为精确地计算结果,在结构不连续区网格划分较密集,获得如图2(b)所示的网格模型,网格划分完毕后,共获得4734个节点、1445个单元。

图2 有限元分析模型图

2.2约束和载荷的施加

结合该高压储罐的工作介质及承载特性,仅考虑罐体所受的內压(忽略其自重的影响)。根据模型的结构特点和受力情况,以模型的下端线为边界,在下端线上施加X=0、Y=0、Z=0的全约束边界条件(如图3(a)所示),在模型筒体、封头及接管的内侧施加內压P=13.5MPa的载荷(如图3(b)所示)。

图3 载荷与约束示意图

2.3分析结果及应力分布

该储罐的设计压力为13.5MPa(10MPa<P<100MPa,属于高压容器),不能参照常规压力容器设计标准《GB150-2011 压力容器》进行设计,参照《JB4732-1995钢制压力容器分析设计》进行应力分析。载荷施加求解计算后,发现储罐在收內压作用下产生了明显的结构变形,且最大变形量为0.218(如图4(a)所示)。根据压力容器分析设计第四强度理论Mises屈服失效判据,在內压作用下 ,从图4(b)应力云图中得出,在罐体内侧结构不连续区及边界条件约束处均有较大的应力集中现象,且最大应力强度出现在边界条件约束处,最大应力值为268.607MPa。

图4 求解结果示意图

3高压储罐的强度校核

3.1储罐的强度校核

对设计载荷作用下的高压储罐进行有限元仿真分析,并对分析结果进行应力强度评定,根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》,对结构不连续区及高应力区进行评定,通过应力线性化沿壁厚方向设定路径(如图5-1、5-3),分别计算路径设定处X方向、Y方向应力和Mises屈服应力(如图5-2、5-4)。由结构不连续区设定的路径A-A处可得知,Mises屈服应力由内到外沿壁厚逐渐递减,X方向的应力强度沿壁厚先增加后减小,Y方向上的应力强度值沿壁厚逐渐递增,由图4(a)结构变形图看出,该路径上应力强度的变化值与有限元模型的结构变形图相吻合。由设定的路径D-D可知,在內压作用下,应力强度Mises屈服应力、X和Y方向上的应力强度沿壁厚逐渐递减,即储罐内壁压力沿壁厚递减。

图5 应力强度线性分布图

根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中规定:一次总体薄膜应力强度Pm应该不超过设计许用应力强度值Sm,即Pm≤Sm;一次局部薄膜应力强度许用极限PL为1.5Sm,即PL≤1.5Sm;一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度PL+Pb极限为1.5Sm,即PL+Pb≤1.5Sm;一次局部薄膜应力加一次弯曲应力及二次应力的应力强度PL+Pb+Q的许用极限为3Sm,即PL+Pb+Q≤3Sm。参照标准得知该高压储罐的应力强度Sm =170MPa,最大应力点强度校核如表2所示,由表2可知强度校核评定结果均合格,即在设计压力13.5MPa下,接管与封头结构不连续处可进一步进行切削圆滑过度,储罐筒体壁厚可以减薄10%。

表2 最大应力点强度校核

PL

170.202≤1.5Sm

PL+Pb+Q

268.607MPa≤3Sm

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结论

应用有限元仿真分析法对高压储罐进行结构优化,在保证容器运行安全的情况下,可以适当的降低筒体的厚度,优化结果明显,可以降低整个罐体的自重,有很好的经济效益;在罐体结构不连续区可以进行适当的切削过度,可以很好地避免局部区域应力集中,降低了高压储罐的安全风险。这样便满足了结构自重轻量化和技术指标的目标,进而很大程度上减少了设计及制造成本,使产品设计更为合理。

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