李妍姝

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同，037000）

化工用壓力容器的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

李妍姝

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同，037000）

本文首先根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)了壓力容器的結(jié)構(gòu)，包括罐體、封頭、內(nèi)部物料架、加強(qiáng)圈以及外部支座，其次根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行CAD三維建模，最后將CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE模型進(jìn)行有限元分析，根據(jù)有限元分析改進(jìn)了封頭，并確定了加強(qiáng)圈的數(shù)目。

壓力容器，封頭設(shè)計(jì)，加強(qiáng)圈，有限元分析

化工處理中常用類似液氨的腐蝕性液體作為處理介質(zhì)，但是當(dāng)溫度發(fā)生變化后，液氨會(huì)迅速氣化，增大處理罐內(nèi)的壓強(qiáng)，因此在化工處理單元常用耐腐蝕的封閉壓力容器。本文要求壓力容器所受應(yīng)力小于所選材料許用應(yīng)力，并滿足變形量小于2mm的設(shè)計(jì)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 物料架設(shè)計(jì)

物料架是壓力容器的內(nèi)部組成部分，根據(jù)物料不同及物料箱的形狀不同，可以設(shè)計(jì)不同類型的回轉(zhuǎn)式物料架。若采用梯形式物料箱，則可采用圖1中的物料架，其由三塊鋼板構(gòu)成，鋼板之間由鋼管相連；若采用圓形式物料箱，則可采用圖2中的物料架，在回轉(zhuǎn)板上設(shè)計(jì)多個(gè)圓柱形通孔用來(lái)固定圓形物料箱。挖空回轉(zhuǎn)板可減輕物料架的重量并減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 壁厚設(shè)計(jì)

圓柱殼理論壁厚的計(jì)算式[1]：

1.3 封頭及其開孔設(shè)計(jì)

常用封頭包括：橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭以及半圓形封頭等。其中,橢圓形封頭和筒體在內(nèi)壓作用和外壓作用時(shí)可以在連接部分相互抵消徑向位移，減小應(yīng)力，并且橢圓形封頭彎曲半徑連續(xù)與筒體連接沒有突變，不產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此本文選用橢圓形封頭。封頭厚度與罐體厚度相同，即封頭厚度δ=22mm，封頭深度h1=550mm，封頭直邊h2=20mm。

在化工處理中，壓力容器需滿足介質(zhì)進(jìn)出、原料進(jìn)出等功能要求，需在壓力容器或者封頭上開孔。按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，當(dāng)筒體直徑時(shí)，開孔最大直徑，并且開孔應(yīng)盡量開設(shè)在封頭中心部位附近，開孔邊緣距封頭中心線不宜超出 0.4D0的范圍。因此,當(dāng)D0=2200mm時(shí)，上下料開孔內(nèi)徑d1=650mm，旋轉(zhuǎn)軸開孔內(nèi)徑d2=180mm。

圖1 梯形物料架圖

1.4 材料選擇

該壓力容器介質(zhì)為液氨，屬性為弱堿性，因此材料可選擇不銹鋼。當(dāng)奧氏體不銹鋼中加入氯可以改善抗腐蝕性，0Cr18Ni9鋼具有優(yōu)良的不銹鋼耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能[2],因此本文壓力容器采用0Cr18Ni9鋼。

1.5 加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)

由于壓力容器所承受壓力較大，為減小壓力容器變形量可采用矩形截面加強(qiáng)圈，將矩形加強(qiáng)圈焊接于壓力容器內(nèi)部，可以達(dá)到增強(qiáng)容器強(qiáng)度的目的。它與殼體有效段組合截面如圖3所示。具體增加幾個(gè)加強(qiáng)圈，需要后續(xù)通過(guò)應(yīng)力分析得到。

1.6 支座設(shè)計(jì)

壓力容器支座主要有鞍式支座、圈式支座及支承式支座3種類型，本文采用鞍式支座。支座位置選取時(shí)需注意：a）支座中心線到端部的距離A應(yīng)適中，否則會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩或是引起容器中部撓性變形；b）支座盡可能靠近封頭可充分利用封頭的加強(qiáng)作用；c）支座的鞍包角θ為120°，高度選擇h=400mm；d）支座寬度b不應(yīng)小于筒體厚度的10倍，取b =200mm。

圖2 圓形物料架圖

圖3 加強(qiáng)圈示意圖

2 CAD三維建模

Solidworks軟件具有功能強(qiáng)大，操作方便、易學(xué)、易用等優(yōu)點(diǎn)。本文以Solidworks軟件根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)建立了壓力容器的三維模型作為CAD模型，以此為CAE模型及應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

3 有限元分析

將2中建立的CAD模型保存為Parasolid格式導(dǎo)入ANSYS軟件中，ANSYS軟件能對(duì)壓力容器進(jìn)行多種諸如結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱分析（熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流）、熱應(yīng)力分析、耦合分析、疲勞分析等有工程價(jià)值的實(shí)用分析[3]。

3.1 封頭開孔應(yīng)力分析

圖4 補(bǔ)強(qiáng)后模型應(yīng)力云圖

通常壓力容器的不連續(xù)部位往往應(yīng)力較高，而壓力容器的結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)又可以分為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)以及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)[4]。該壓力容器結(jié)構(gòu)中有3個(gè)部位結(jié)構(gòu)不連續(xù)：a）筒體與封頭連接處；b）容器開孔處；c）支座支撐處。為保證壓力容器的安全性，需滿足最大應(yīng)力小于材料0Cr18Ni9N的屈服強(qiáng)度310MPa。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的封頭設(shè)計(jì)參數(shù)，采用實(shí)體單元（Solid95）進(jìn)行分析，施加邊界條件與載荷壓力。由分析應(yīng)力云圖可知在封頭和旋轉(zhuǎn)軸開孔處的連接處最大應(yīng)力約為361MPa，大于材料的屈服強(qiáng)度310MPa不滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)開孔區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

壓力容器開孔后所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A為：

對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后的CAE模型再次分析，得到應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力為由361MPa下降到200MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 壓力容器應(yīng)力分析

圖5 壓力容器初始設(shè)計(jì)變形量云圖

首先分析不增加加強(qiáng)圈時(shí)的壓力容器，對(duì)于整體壓力容器，采用自由網(wǎng)格劃分進(jìn)行分析，添加約束及載荷后分析得變形量云圖，如圖5所示。罐體最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，但變形量為7mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此需要添加加強(qiáng)圈。

當(dāng)分別增加1條加強(qiáng)圈、2條加強(qiáng)圈、3條加強(qiáng)圈、4條加強(qiáng)圈后，按照上述步驟進(jìn)行變形量分析，分別得到最大變形量為5.8mm、3.8mm、2.1mm、1.8mm，由此可知，當(dāng)增加4條加強(qiáng)圈后才滿足最大變形量小于2mm的設(shè)計(jì)要求，因此在壓力容器內(nèi)部應(yīng)焊接4條加強(qiáng)圈。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了具有耐腐蝕性的化工用壓力容器，包括罐體、封頭、內(nèi)部物料架等。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在封頭開孔處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)以增加強(qiáng)度，并在整體壓力容器內(nèi)部增加4條加強(qiáng)圈，以滿足壓力容器的變形量設(shè)計(jì)要求。

（References）

[1] 《壓力容器實(shí)用技術(shù)叢書》編寫委員會(huì). 壓力容器設(shè)計(jì)知識(shí)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2] 全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì), GB 6654-1996.處理罐用鋼板[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1996：155.

[3] 劉偉, 高維成, 于廣濱. ANSYS 12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2010.

[4] 夏忠定.ANSYS 在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程, 2007, 26(3)：49.

李妍姝（1987-），女，工作于山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，現(xiàn)任助教，工學(xué)碩士研究生。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。