压力容器筒体人孔凸缘法兰的强度设计与试验研究

本文针对筒体入孔凸缘法兰所受载荷为非轴对称情况,提出了按凸缘法兰的两个极限受力截面进行分析计算的强度设计观点,推导出其强度计算公式。通过对BJ433Y型液化石油气槽车筒体的水压试验,对筒体人孔凸缘法兰进行了应力分布测试,其结果与理论相吻合。本文所提出的强度设计方法可以在工程上使用。     

吸附器封头开孔接管结构应力分析与优化设计

吸附器封头开孔接管结构在吸附工况下,由于几何不连续性会导致局部出现高应力集中,使得开孔区域成为吸附器强度失效破坏的危险部位,所以对吸附器封头开孔接管区域进行强度分析与优化设计具有重要工程意义。传统压力容器设计方法为了保证设备平稳运行,往往通过增加容器壁厚来满足强度要求,设计的容器壁厚较大,质量过重。利用ANSYS Workbench有限元软件,对吸附器封头开孔接管结构进行应力强度分析,建立相应优化模型,通过Workbench响应曲面多目标优化,结合遗传算法对封头开孔接管结构进行优化。以最大应力满足强度设计标准为约束,质量最小为优化目标,给出优化设计后结构尺寸及对应的封头接管质量和最大应力。结果发现,对于封头和接管过渡区出现的最大应力,通过优化封头壁厚、接管壁厚和封头曲面深度三个变量,能够使最大应力在满足强度要求条件下,封头壁厚从34 mm减至24 mm,接管壁厚从30 mm减至26.8 mm,封头整体质量从446.7 kg减至359.7 kg,封头质量减轻近20%,封头整体结构得到有效优化,生产成本明显降低。     

压力储罐的静态有限元分析

利用规则设计方法对压力储罐的筒体和封头进行了厚度计算,但不能分析安装接管后储罐的承载能力。利用ANSYS有限元分析软件对安装接管后的压力储罐进行结构静力分析,得到储罐的最大变形位置和变形量,最大应力强度位置和应力值。根据第一强度理论说明规则设计确定的储罐厚度能满足联接接管后的强度要求。     

压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究

根据对压力容器正交和切向开孔接管区进行的有限元分析,获得容器筒体、接管及其连接部位的应力分布结果,利用电阻应变测试技术进行现场测试。结果表明,压力容器开孔接管产生明显的应力集中,各类应力的最大值发生在接管与筒体连接处,是筒体失效的危险区域;与压力容器正交开孔接管相比,压力容器切向开孔接管的应力分布更趋复杂,有更明显的应力集中。     

封头凸缘法兰优化设计

本文以液化气体汽车槽车封头人孔凸缘法兰为例,分析了封头人孔凸缘法兰部分的受力状态;并利用轴对称有限元应力分析的方法,对封头与凸缘法兰的连接部份进行了应力分析。通过对封头与凸缘法兰的相对位置变化的应力分析,得出封头与凸缘法兰相对位置的变化对连接部分的局部应力的变化有很大的影响。从应力分析图中可以找出产生峰值应力的影响因素,从而得出降低峰值应力的有效措施,得出优化设计方案;看出角焊缝形状对局部应力的影响,从而得出焊缝设计优化方案。为封头与凸缘法兰结构设计提供有限元应力分析数据依据。     

制氧压缩机组中间冷却器不锈钢封头的开裂分析

通过无损检测、常规力学性能试验以及金相分析等手段对制氧压缩机组中间冷却器不锈钢封头的开裂失效进行分析。分析结果表明：该失效属于304不锈钢的应力腐蚀开裂。由于1级冷却器管的开裂泄漏而造成的高温氧气 含氯离子冷却水介质环境，封头一筒体对接环焊缝区域的残余应力以及封头一侧热影响区中的晶界碳化物析出是诱发应力腐蚀开裂的三个主要因素。     

计算法确定设备开孔接管相贯尺寸

石油化工设备上有许多结构形式的开孔接管。开孔部位筒体的常见形式有圆筒形、锥形、球封头、椭圆形封头等形式；接管与筒体连接形式常见有正插、斜插、偏心正插、偏心斜插等。传统的接管下料、放样及开孔划线方法是在平整的地面上或钢平台上进行1：1的放大样，求连接相贯线，将相贯线展开做样板。放大过程，特别是壳体与接管直径都较大且尺寸接近时，相贯线的变化将比较显著，精确度难以保证。本文介绍一种无需放大样，用计算的方法求接管相贯线的展开长度，继而确定筒体开孔的方法以及几种典型结构的接管相贯线展开计算公式。1基本原理（1…     

带偏置大接管封头的三维有限元分析与强度评定

对联苯锅炉上带偏置大开孔接管的封头进行了三维有限元分析，得出了接管、封头截面以及二者相贯线上的应用力分布曲线，并按分析设计原理应用第三强度理论进行强度评定，结果表明该封头－－接管连接处强度能满足安全要求。     

多接管标准椭圆形封头应力分析与安全评定

通过有限元方法对含多接管的标准椭圆形封头进行应力分析与安全评定,发现开孔结构造成封头顶部承载区域减小,同时开孔结构不连续造成了顶部应力增大,在封头顶部接管包围区域的应力值较不开孔封头结构最大应力增大了1.6倍;随着开孔直径的增大,两接管的距离减小,从而造成两接管产生干涉效应,对结构的整体性安全性产生影响;最后对多接管椭圆形封头进行安全评定。     

圆柱壳大开孔结构极限载荷的试验研究

符号说明Ｄｉ———筒体内径Ｄ———筒体平均直径Ｔ———筒体壁厚Ｌ———筒体长度Ｌ1———筒体长度的一半Ｈｉ———筒体封头深度Ａ———焊缝与补强圈中心的距离ｄ0 ———接管外径ｄ———接管公称直径ｔ———接管壁厚ｈｉ———接管封头深度ｌ———接管长度σｙ———容器材料的屈服强度σｕ———容器材料的极限强度δ5———材料的延伸率αｋ———冲击韧性ｐ———内压ｐｙｉ———初始屈服压力ｐｙ———筒体总体屈服压力 ,ｐｙ=2σｙＴ/ＤｐＬｔＴ———由双切线法所得试验极限载荷ｐＬφＴ———由两倍弹性斜率法所得试验极…     

板翅式换热器斜接管封头极限压力研究

针对板翅式换热器斜接管封头强度设计问题,基于有限元软件ANSYS和CAD软件Solidworks,给出塑性功曲率(Plasticwork curvature,PWC)准则极限载荷计算方法,比较30o斜接管封头的PWC准则极限压力、两倍弹性斜率(Twice elastic slope,TES)准则极限压力和美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)理想塑性极限载荷准则极限压力的计算结果,并对影响极限压力的接管倾斜角β、筒体径厚比iDδ、接管开孔率idD进行参数关系研究。30o斜接管封头极限压力计算结果比较表明,PWC极限压力以总塑性功及其曲率作为封头结构整体塑性失效判别的全局指标,与TES准则人为选择的变形参数指标和两倍弹性斜率失效线相比较,具有客观性,也能反映材料应变硬化对封头增强的效应;极限压力与尺寸参数关系研究表明,小倾斜角、大开孔率和大径厚比将使得封头极限压力降低。研究结果为板翅式换热器斜接管封头这种复杂结构极限压力的计算和尺寸参数的选择提供参考。     

板翅式换热器正交接管封头极限载荷试验研究

采用电测法及有限元法对内压作用下的正交接管封头进行了研究,比较了两种方法下的封头筒体弹性应力分布线和极限载荷值。结果表明,试验所测和有限元计算所得的弹性应力分布线变化规律一致,基于两倍弹性斜率准则和双切线准则所确定的极限载荷试验结果和有限元计算结果较接近,再次验证了采用有限元塑性极限分析进行压力容器强度设计的可行性。     

厚壁压力油罐人孔锻件焊接裂纹分析

在厚壁压力油罐的人孔接管锻件与筒体的组合焊缝焊接修复时,对产生了焊接裂纹,且不断向人孔接管锻件扩展的现象进行了分析,采用电子显微镜观察,进行化学成分分析及力学性能试验,发现人孔接管锻件韧性差、晶粒粗大,采用正火加回火热处理工艺重新热处理人孔接管锻件,能重新使锻件性能满足标准要求,按焊接工艺要求施焊人孔接管锻件与筒体的组合焊缝,一次探伤合格。     

不锈钢反应釜顶盖开孔结构设计和应力分析

从安全的角度出发,给出反应釜顶盖与筒体焊接,在一侧开人孔的结构。基于开人孔的位置悖于常规,先采用常规设计方法设计出顶盖厚度,然后分别采用无力矩理论和有限元软件ANSYS作了应力分析,给出人孔接管与顶盖及筒体相贯线上的一系列应力分布曲线,并参照JB 4732-95《压力容器分析设计标准》作了强度评定,结果表明强度不足。然后采用内部贴补强圈的局部补强结构,经过二次分析评定,强度满足要求。并对设备的无损检测作了相关说明。     

板翅式换热器封头许用接管外载荷计算方法及应用

分析了板翅式换热器封头接管外载荷产生的原因和进行许用接管载荷计算的必要性。通过对组合极限接管载荷分量相互关系的分析,提出了接管载荷强度验算简化公式和以壳结构有限元应力分析为基础的许用接管载荷计算方法。以某封头为例,分析了接管载荷对封头强度的影响规律,给出了许用接管载荷计算过程和结果。通过对许用接管载荷计算方法及算例的分析表明,提出的方法是可行的,可有效解决封头接管载荷强度设计问题。     

高压筒体大直径双开孔补强分析及优化设计

针对工程上高压容器筒体大开孔产生较大应力集中的问题,以某高压容器筒体开大直径双孔结构为研究对象,采用应力集中系数K表征开孔对筒体造成强度削弱的程度,基于有限元方法分析了圆角半径、3个无量纲参数(开孔率d/D、接管与筒体厚度比t/T、筒体径厚比D/T)、接管间角度α和中心距L对应力集中系数K的影响。并按照GB/T 150.3—2011中分析法初步设计厚壁接管补强结构,进行响应面优化分析得到最优方案,在满足强度要求的情况下,实现了设备质量的减轻。结果表明：开孔率d/D>0.6时,需要考虑双开孔对应力集中的叠加作用;接管排布角度在30°～90°之间会在一定程度增大应力集中;厚壁接管结构中,筒体厚度T及接管补强段厚度t对应力集中影响程度较大。本研究得到了各参数对应力集中的定量化影响规律,可为大开孔接管设计与排布提供参考依据。     

平封头应力释放槽区的应力集中系数

由于平封头与筒体连接部位几何不连续,易产生应力集中,导致疲劳强度降低,工程上往往采用设置应力释放槽或过渡圆角的方法解决。引入影响带应力释放槽的平封头与筒体连接处应力集中系数的无量纲参数,利用ANSYS有限元分析软件和SPSS数据统计分析软件,对平封头与筒体连接部位局部应力的分布规律进行研究,找出平封头厚度、筒体直径、筒体厚度、应力释放槽几何尺寸与应力集中系数之间的定性和定量关系,为工程上确定应力释放槽的几何尺寸提供指导。研究结果表明,应力集中系数与结构几何尺寸之间的定量关系式符合工程应用的精度。     

大容积全多层高压储氢容器封头和筒体连接结构强度研究

以自主研制的75 MPa,2.5 m3大容积全多层高压储氢容器为对象,开展了封头和筒体连接结构强度试验研究,得到了加强箍、封头及其连接部位应力随容器内压力的变化情况。建立了精度较高的大容积全多层高压储氢容器封头和筒体连接结构弹塑性有限元分析模型。基于该模型,对封头和筒体连接结构在容器超压过程中的变形特征,及封头与加强箍配合面形成裂纹尖端在多次加载时的稳定性进行了分析,验证了加强箍结构设计方法的合理性。     

椭圆封头与筒体过渡段应力分布

在中低压容器常规设计中，对椭圆封头与筒体过渡段的边缘应力一般不予计算，只在结构上进行局部处理。为了探究边缘应力对椭圆封头及筒体过渡段的影响，文中针对5种不同直径的椭圆封头，采用ABAQUS有限元分析软件和有矩理论，对比研究了封头过渡段内外壁面应力的变化规律，同时采用有矩理论研究了封头过渡段内外壁面边缘应力的影响范围及最大值出现的位置。结果表明：5种不同直径封头直边段内外壁面存在大小相等、方向相反的边缘应力，内外壁面最大径向边缘应力与筒体薄膜应力相当，最大值至连接处的距离远大于椭圆形封头标准规定的直边高度，直径越大，距离越远。封头标准GB/T 25198—2010中规定直边高度处径向应力超出筒体薄膜应力的44%～61%。直边段与筒体薄膜应力相当的横截面距连接处0～15 mm,与直径关系不大。研究结果可对中低压容器的设计制造和安全运行起到一定的指导作用，为封头标准的修订提供参考依据。     

单个凸缘接管开双孔结构的开孔补强设计

以某项目PTA结晶器下封头单个凸缘接管开双孔为例,按GB/T 150.1～150.4-2011中的等面积补强法进行开孔补强设计计算,利用有限元分析法对补强结构进行优化,确定开孔补强结构的设计尺寸,结果既能够满足安全性要求,又能够提高材料利用率。