夹套反应釜的改造设计与疲劳研究.doc

1、I 摘要 在化工生产过程中，随着工艺生产条件要求的提高，原设备往往因不能满足生产条件的需要而遭废置。对原有的压力容器进行改造设计，使其强度、刚度等满足新的生产条件的要求，可以大大的降低生产成本，提高经济效益。改造后的压力容器则需要对其安全性进行重新的评估，使其能保证安全生产。 本文研究的对象是改变工作条件后受交变载荷的夹套反应釜设备，对其主要进行了以下研究： （ 1） 通过对夹套反应釜的结构分析，对其模型进行了简化，然后在 ANSYS软件中使用壳单元建立其有限元模型。基于弹性力学有限元分析，计算了改造前该设备各处的应 力，得出其无法在新的工作载荷下安全工作的结论。 （ 2） 提出了对该夹套反应

2、釜改造的三种方案，并根据经济性和安全性选取了最合适的改造方案，即在上、下夹套与内筒体连接处分别焊接了 32、 16 块 10mm厚的筋板。有限元计算结果表明改造后的该设备能在新的工作载荷下安全工作。 （ 3） 运用有限元方法，考虑了设备材料的塑性变形，对改造后的夹套反应釜分别进行了弹塑性分析和安定性分析，得到了更为接近工程实际的应力分析结果，并进一步的说明了该改造后该设备的安全性。 （ 4） 基于分析设计对改造过后的夹套反应釜的最大应力点 20714 进行 了应力分类，保证了该节点处的一次和二次应力满足要求。再利用 S-N 曲线进行疲劳评定，分析结果显示改造后的该夹套反应釜满足疲劳要求。 本文

3、对压力容器改造设计和受交变载荷的容器的疲劳研究能提供一些参考和指导，具有一定的理论意义和工程实用价值。 关键词 :改造设计 ;有限元 ;疲劳分析 II Abstract With the improvement of the conditions required for the production process, the original equipment which cannot meet the needs of production conditions are often abandoned in the chemical production process. But the

4、 original equipment can have enough strength and stiffness to meet the requirements of the new production conditions by reconstruction. The equipment reconstruction can also improve economic benefit because the production costs would be greatly reduced. After reconstruction, The safety of the pressu

5、re vessel should be evaluated again to ensure the safe production. In this paper, the study object is the jacketed reactor which bears alternating load after changing the working condition. The main works are as follows: （ 1） Based on analysis of the jacketed reactors structure , The model was simpl

6、ified. Then the finite element model was established by using shell elements in ANSYS. The stress in the original equipment was calculated by elastic finite element analysis. The conclusion was that the original equipment cannot work safely in the new work load. （ 2） Three options for the jacketed r

7、eactor reconstruction were put forward, and the most appropriate program was selected according to the economic and security. The best solution is that 32 rib plates are welded around the upper cylinder and the jacket and 16 rib plates are welded around the lower cylinder and the jacket. Finite elem

8、ent calculation results showed that the equipment can work safely after the reconstruction in the new work load. （ 3） Using the finite element method, the elastic-plastic analysis and shakedown analysis are made by taking the plastic deformation of materials into consideration. Because the result of

9、 stress analysis is closer to engineering, the security of the equipment after reconstruction can be further demonstrated. （ 4） Using the design analysis of steel pressure vessel, the stress classification of the highest-stress node 20174 is made to ensure the primary and the secondary stress is wit

10、hin a limited range. Then the fatigue assessment is made by using S-N curves, the result shows that the jacketed reactor after can meet the fatigue requirements after reconstruction. III In this paper, some reference and guidance are provided in pressure vessel reconstruction and fatigue of pressure

11、 vessel with alternating load .They have some theoretical significance and practical value. Key words: Design of reconstruction; Finite element method; Fatigue analysis IV 目 录 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 现行的压力容器疲劳设计规范 . 1 1.3 现行的疲劳设计方法 . 2 1.4 国内外压力容器的疲劳研究现状 . 5 1.5 论文主要研究内容与意义 . 8

12、1.5.1 论文主要研究内容 . 8 1.5.2 论文的研究意义 . 8 2 夹套反应釜的改造设计与线弹性静力学分析 . 9 2.1 项目描述 . 9 2.2 有限元方法理论 . 10 2.2.1 有限元方法介绍 . 10 2.2.2 有限元分析的基本步骤 . 10 2.2.3 ANSYS 软件介绍 . 11 2.3 改造前夹套反应釜的应力分析 . 14 2.3.1 模型建立 . 14 2.3.2 施加边界条件与载荷 . 16 2.3.3 有限元分析结果 . 17 2.3.4 结果分析 . 18 2.4 改造方案 . 18 2.5 改造后夹套反应釜的线弹性静力学分析 . 20 2.6 本章小结

13、 . 22 3.1 弹塑性分析 . 23 3.1.1 塑性理论简介 . 23 3.1.2 求解结果 . 24 3.2 安定性分析 . 25 3.2.1 安定性分析理论 . 25 3.2.2 安定性校核 . 27 3.2.3 安定性结果分析 . 28 3.3 本章小结 . 30 4 夹套反应釜的疲劳研究 . 31 4.1 应力分析与强度评定 . 31 V 4.1.1 分析设计理论 . 31 4.1.2 改造后夹套反应釜的强度评定 . 33 4.2 疲劳分析理论 . 34 4.2.1 疲劳分析的定义 . 34 4.2.2 疲劳分类 . 34 4.2.3 我国的以疲劳分析为基础的设计 . 35 4.

14、3 改造后夹套反应釜的疲劳校核 . 35 4.4 本章小结 . 37 5 结论与展望 . 38 5.1 结论 . 38 5.2 展望 . 38 参考文献 . 40 附录 . 44 外文翻译 . 45 1 1 绪论 1.1 引言 疲劳问题首先产生于 19 世纪初蒸汽机车的运动部件破坏 1，在 1939 年由法国教授 J. V. Poncelent 首先提出“金属疲劳”这一概念，有关疲劳的研究已经持续了一百七十多年 2。 疲劳的一般定义为：在反复交变载荷作用下，材料 (零部件或结构 )的失效行为称为疲劳 3。 20 世纪 60 年代以前，疲劳常常不是压力容器设计时必须考虑的因素，这主要是因为不用承

15、受很高的循环次数的交变载荷。同时，设计应力较低，以及制造压力容器的材质通常具有较高的塑性，不致造成裂纹的迅速扩展。因此 ,疲劳分析显得并不突出 4。 但近年来，随着压力容器设计规范的修订，安全系数的下降，容器在实际工作中承受的应力水平有了较大的提高。同时，随着容器的大型化，特厚材料的应用不断增加，高强度钢的应用日益广泛，材料及其焊缝更容易形成各种缺陷，这些都增加了压力容器的疲劳失效的危险性。据统计， 20 世纪 60 年代以来，国外压力容器的破坏事故中，有 40%左右是由于疲劳裂纹扩展引起的 5。所以许多国家对于压力容器的疲劳研究给予了很高的重视。同时，在许多国家的压力容器设计规范中也陆续增加

16、了以疲劳分析为基础的设计方法，如美国 ASME锅炉及压力容器规范第 篇及第 篇第二分篇、第三分篇，英国 BS5500非直接火焊制压力容器设计规范、日本 HPIS-C-103超高压圆筒容器设计指针、国际压力容器标准 ISO/DIS2694 及我国的 JB4732钢制压力容器 分析设计标准等 3。 1.2 现行的压力容器疲劳设计规范 世界上很多国家都已制订了压力容器相关的疲劳设计规则。最早出现的是在1965 年美国机械工程师学会颁发的 ASME 及 ASME -2, 其设计基础是Langer 的研究成果。该研究使用对象为光滑小试件 ,它们是利用多个母 材制成的，疲劳试验的条件为：恒应变控制单轴向对

17、称循环 , 最终绘制出材料的疲劳失效平均寿命曲线 , 与此同时，还考虑了缺口处可能出现的平均应力的最大值，利用平均应力会影响材料的疲劳失效寿命的因素，按 Goodman 关系对疲劳失效寿命曲线的影响进行了一定的修正 , 循环次数与虚拟应力幅的安全系数分别取 20 2 和 2, 设计疲劳曲线取二者中的比较低的值。对于设计疲劳曲线，其中循环次数N 取 10105 次。运用弹性分析对结构的应力强度进行设计 ,对局部不连续区，采用疲劳强度减弱系数的方法 , 利用线性积累损伤原理和设计疲劳曲线 , 进行相应的疲劳分析 6。这一方法在国际上有重大影响 , 至今仍在使用着。 加拿大、瑞士、比利时等国明确规定

18、压力容器疲劳设计直接采用了 ASME 规 范，有的国家虽然有自己的压力容器疲劳设计规范，如瑞典的 Tryckar Lanormer标准， 澳大利亚的 AS1210 标准， 日本的 JIS8259 标准 7,但它们的实际内容均与ASME 标准 的均基本上一致 6。我国制定的 JB4732-1995（ 2005 年确认）（ 压力容器分析设计规范）中的疲劳分析的内容与 ASME 也是基本一致 。 英国压力容器标准 BS5500 附录 C8疲劳分析虽然从方法上与美国 ASME标准的 方法相似 ,但仍然是有一些明显的区别的。 BS5500 的设计疲劳曲线是在应变控制的对称循环疲劳试验下，对象为对接焊接接

19、头用机械加工磨光制成光滑小试件 ,而非用母材制成的试件。因为微观的缺陷不可避免的会存在与焊缝金属中 ,故英国标准 BS5500试验最终所得到材料的疲劳失效寿命曲线会比 ASME标准中相应 的疲劳寿命曲线低。 欧盟压力容器规范 EN13445: 2009非受火焰加热压力容器 9中主要有两部分的内容与疲劳分析相关 : 疲劳寿命的详细评定与简单评定。疲劳寿命的详细评 定方法是通用的方法，适用的范围十分广泛，但与此同时，该方法需要有详细的应力分析。在欧盟的压力容器规范 EN 13445 中，有关疲劳寿命详细评定的最为主要特征是将焊接区域与非焊接区域区分开来了，而且它们的计算疲劳寿命的评定方法也不相同。

20、因为在该标准中，已经认为缺陷存在与焊接接头中，故采用“结构应力”来进行疲劳的评定。仅仅沿壁厚线性分布的应力，如弯曲应力、剪切应力、薄膜应力属于结构应力，同时只对总体结构不连续的影响进行考虑。对于母材，该标准评定的是的是节点总应力 10。 1.3 现行的疲劳设计方法 目前，国内外 现行的疲劳设计方法主要分为以下六类： （ 1）名义应力疲劳设计法 1 名义应力疲劳设计法的基本设计参数是名义应力，该方法以 S-N 曲线为它的主要的设计依据。该设计法能够分成下面的两种方法： 3 无限寿命设计法 疲劳极限是主要的设计依据，也就是 S-N 曲线其中的水平部分，该方法要求零部件在无限长使用期限内不发生疲劳破

21、坏。 有限寿命设计法 S-N 曲线的斜线部分是该方法的主要的设计依据，条件是零部件在一定使用期限内不会发生疲劳破坏，这种方法也被称为安全寿命设 计法。 (2)局部应力应变分析法 局部应力应变分析法是一种以低周疲劳为基础的疲劳寿命估算方法，应变集中处的局部应力和局部应变是其基本设计参数。局部应力应变 CSS 法的三个基本方程如式 （ 1-1） 式 （ 1-3） 所示 11: Coffinmanson CSL 关系 错误 !未找到引用源。 （ 1-1） 其中： 错误 !未找到引用源。 :循环应变幅， 错误 !未找到引用源。 ：疲劳强度系数， 错误 !未找到引用源。 ：疲劳强度指数， 错误 !未找到

22、引用源。 ：弹性模量，错误 !未找到引用源。 ：疲劳塑性系数， 错误 !未找到引用源。 ：疲劳塑性指数， 错误 !未找到引用源。 ：疲劳寿命 ramberg-osgood CSS 关系 错误 !未找到引用源。 （ 1-2） 其中： 错误 !未找到引用源。 ：循环硬化指数， 错误 !未找到引用源。 :循环硬化系数， 错误 !未找到引用源。 :循环应变幅 Neuber 准则 错误 !未找到引用源。 其中： 错误 !未找到引用源。 ：名义应力幅， 错误 !未找到引用源。 :疲劳应力集中系数 虽然局部应力 应变分析方法是一种较好的疲劳裂纹萌生的估算方法，然而该方法并没有考虑到载荷的多轴性和应变梯度。因

23、此， DeGuang 从微观的角度提出了两个参数，它们是用来考虑载荷的多轴特征及局部应力应变梯度。 应变强度参数： 错误 !未找到引用源。 （ 1-3） 应力强度参数： 错误 !未找到引用源。 ； （ 1-4） 其中： 错误 !未找到引用源。 表 示疲劳失效区域， 错误 !未找到引用源。 表示错误 !未找到引用源。 容积， 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 分别4 为等效应变和应力作用， 错误 !未找到引用源。 ：等效应力应变值对于峰值应力应变值的影响 错误 !未找到引用源。 （ 1-5） 其中： 错误 !未找到引用源。 为距 错误 !未找到引用源。 点距离 错误 !未找到引

24、用源。 作用方向 （ 3） 基于断裂力学的设计方法 该方法的基础是断裂力学理论，前提是假设材料中存在着初始缺陷，同时把该初始缺陷看作为裂纹，同时根 据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质来进行剩余寿命的估算 12。 裂纹扩展速率： 错误 !未找到引用源。 （ 1-6） 其中： 错误 !未找到引用源。 ：应力强度因子幅， C,m：材料常数 应力强度因子 : 错误 !未找到引用源。 （ 1-7） 其中： 错误 !未找到引用源。 ：裂纹长度的一半， 错误 !未找到引用源。 ：外 加均匀拉伸应力。 剩余寿命值的估算：先确定临界裂纹尺寸 错误 !未找到 引用源。 和初始的裂纹尺寸 错误 !未找到引用源。 交变

25、应力幅下寿命值的估算： 错误 !未找到引用源。 （ 1-8） 其中： 错误 !未找到引用源。 ：每个循环块扩展的速率， 错误 !未找到引用源。 ：第 错误 !未找到引用源。 个载荷扩展的速率。 等应力幅下寿命值的估算： 错误 !未找到引用源。 （ 1-9） （ 4） 损伤力学疲劳模型 损伤微观理论模型方法 ， 将多层次缺陷的几何结构引入了其中，细观的缺陷结构被引入了材料的宏观体元，并试图在宏观各力学响应与材料的细观结构的演5 化之间建立相应的联系 13。 非线性累积损伤模型 多轴非比例加载与材料的各向异性使压力容器疲劳损伤为非线性损伤，但大部分的模型依然是依赖试验的数据。例如，根据 chabo

26、che 的连续介质与延展性耗散理论 Shang DG14 等给出了一个单轴非线性的疲劳损伤公式。 单轴非线性的疲劳损伤公式： 错误 !未找到引用源。 （ 1-10） 其中： 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 均为材料的常数。 最小耗能原理的损伤模型 材料的破坏往往是向着消耗能量最小的方向发展。同时材料的屈服和破坏都需要消耗能量，然而对某一中材料单元来说，当使得该单元发生屈服、破坏的能量最终积蓄到一定值时，该材料单元才会发生屈服、破坏。故引入了因损伤变量 D( t ) 所引起的最终耗能率 15。 错误 !未找到引用源。 （ 1-11） 其中： 错误 !未找到引用源。 为由 错误

27、 !未找到引用源。 引起的不可逆应变率 错误 !未找到引用源。 （ 1-12） （ 5） 数值化仿真模拟疲劳损伤模型 该方法利用离散事件仿真方法进行疲劳寿命分析，如果基于产生一个随机样本材料，该材料损伤累积在随机载荷下，不小于随机载荷谱的构成的整体失效的临界值，就判定无效 16 18 。 （ 6）疲劳可靠性设计法 该方法是疲劳设计方法与概率统计方法相互结合的产物，因此也被称为概率疲劳设计方法， 该方法由于将载荷、材料疲劳性能以及其他疲劳设计数据分散性考虑到了其中，能够将破坏的概率最后限制在一定的范围中，故该方法设计精度在上述方法中最高 1。 1.4 国内外压力容器的疲劳研究现状 近年来，随着压力容器疲劳失效事故的增加 ,各国都在压力容器疲劳相关方面进行了许多的研究工作。相关研究主要集中在以下几个方面：循环变形与裂纹