氨合成塔外壳分析计算案例.docx
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氨合成塔外壳分析计算案例
五环科技
股份有限公司
呼伦贝尔金新化工有限公司
呼伦贝尔金新化工5080工程
详细工程设计
2版
05035-R04501-RR
氨合成塔外壳
第
1
页
共
27
页
设备专业
计算书
计算题目:
压力容器机械强度计算和应力分析
编制
校核
审核
审定
日期
Q/CWCEC05-A20-01附录C
目录
1设计主要数据表3
2工具和技术3
3筒体端部应力分析4
3.1几何模型4
图1.几何模型4
图2.有限元模型5
图3.有限元模型(A-A剖面/局部)6
3.2力学模型6
图4.载荷与约束图7
3.3计算结果和评定8
图5.应力评定截面(路径)位置图8
3.4数值结果10
4支座应力分析13
4.1几何模型13
图6.几何模型13
图7.有限元模型14
4.2力学模型15
图8.支座结构载荷与约束图15
4.3计算结果和评定16
图9.应力评定截面(路径)位置图16
图10.应力强度分布图17
4.4数值结果19
5管口B作为吊耳计算26
1设计主要数据表
数据类别
数据名称
数值
备注
基本数据
容器类别
第三类
物料名称
合成气
腐蚀裕量mm
1.5
焊接接头系数
1.0
设计载荷
设计压力MPaG
16.0
设计温度℃
筒体端部300
底封头和支座300
底部锻件460
2工具和技术
●JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》(使用其应力分析准则)
●GB150-1998《钢制压力容器》(用以确定材料的许用应力强度)
●ANSYS有限元分析软件v10.0
●SW6-1998(B口兼作吊耳计算)
3
筒体端部应力分析
几何模型
结构由筒体端部、筒体、接管D组成。
分析重点是接管D在筒体端部内壁沉孔较深需要的补强。
几何模型见下图。
图1.几何模型
上图中具体尺寸如下:
C=1.5!
厚度附加量
RO=3000/2
RB=2770/2
R=2500/2+C
RS=R+5
TS=136.4-C!
已计入焊接接头系数0.95
H1=640
H3=50
H2=1580-H1-H3
H4=1110
H=1200
RF=160
L=1340
A=300
RL=560/2+C
RN=302/2+C
TN=149-C
RW=50
GB1=25-C
GH1=GB1/TAN(30)
GH2=12
GB2=GH2*TAN(30)
GB=12.5-GB2
NB=36!
螺柱孔总数
BR=(125-3+0.402)/2
BH1=195
BH2=20
SIGMAB=257!
40CrNiMoA许用应力(见力学模型)
有限元模型见下图,其中圆周向截取2个螺柱孔。
有限元模型中使用三维结构单元SOLID95。
图2.
有限元模型
为了得到靠近螺柱孔的接管截面上的应力,建立有限元模型时,沿螺柱孔中心人为剖分(纵切面),见下图。
图3.有限元模型(A-A剖面/局部)
力学模型
结构给定以下约束:
●筒体下端的轴向位移为0
●接管中心截面给定对称约束,与此截面相对的另一纵切面限制垂直于该面的位移。
结构给定以下载荷:
●作用于内表面的压力16.0MPa
●作用于螺柱孔表面的螺栓力(垂直向上),保守地取螺柱力达到许用应力时的总力
●作用于双锥垫片表面的压紧力,其总值的轴向分量等于压力总值与螺栓力的差
●D口锻件端面的平衡内压的拉应力
约束和载荷见下图。
图4.载荷与约束图
计算结果和评定
应力校核截面。
根据本结构应力分布情况,取3个截面(PATH1—PATH3)进行应力评定。
图5.应力评定截面(路径)位置图
(1)路径PATH1上的局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00212.00222.00合格
(2)路径PATH2上的局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00211.00222.00合格
(3)路径PATH3上的局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00176.30222.00合格
(4)路径PATH1上的局部薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限2.2Sm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00276.40325.60合格[注]
(5)路径PATH2上的局部薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限2.2Sm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00268.50325.60合格
(6)路径PATH3上的局部薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限2.2Sm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00278.20325.60合格
数值结果
设计载荷下沿路径PATH1的应力线性化数值结果
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=PATH1DSYS=0
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=3470OUTSIDENODE=3946
LOADSTEP1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-11.40193.922.21-0.96911.86416.47
S1S2S3SINTSEQV
193.928.93-18.14212.0192.9
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I2.54465.16-15.39-2.8001.592-2.374
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O-2.544-65.1615.392.800-1.5922.374
S1S2S3SINTSEQV
I65.322.711-15.7181.0473.58
C0.0000.0000.0000.0000.000
O15.71-2.711-65.3281.0473.58
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-8.857259.06.823-3.7693.45614.10
C-11.40193.922.21-0.96911.86416.47
O-13.95128.737.601.8310.272218.85
S1S2S3SINTSEQV
I259.115.11-17.24276.4261.7
C193.928.93-18.14212.0192.9
O128.743.75-20.12148.9129.3
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I2.44712.79-1.166-2.409-1.890-10.27
C-2.573-9.2470.17561.4320.88086.374
O15.4613.67-2.061-1.401-0.9177E-01-20.62
S1S2S3SINTSEQV
I13.3510.90-10.1823.5322.40
C5.493-7.553-9.58515.0814.17
O29.1913.62-15.7344.9239.51
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-6.410271.85.658-6.1781.5663.829
C-13.97184.622.390.46322.74522.85
O1.511142.435.540.42970.1804-1.777
S1S2S3SINTSEQVTEMP
I272.06.770-7.667279.6272.7300.0
C184.733.36-25.00209.7187.4
O142.435.631.418141.0127.4300.0
设计载荷下沿路径PATH2的应力线性化数值结果
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=3526OUTSIDENODE=4528
LOADSTEP1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-5.499190.311.06-27.108.17713.53
S1S2S3SINTSEQV
194.218.45-16.79211.0195.8
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-3.40044.48-13.22-5.998-21.557.765
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O3.400-44.4813.225.99821.55-7.765
S1S2S3SINTSEQV
I52.83-2.898-22.0774.9067.39
C0.0000.0000.0000.0000.000
O22.072.898-52.8374.9067.39
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-8.899234.8-2.168-33.10-13.3721.30
C-5.499190.311.06-27.108.17713.53
O-2.100145.824.28-21.1029.725.766
S1S2S3SINTSEQV
I240.311.67-28.22268.5250.9
C194.218.45-16.79211.0195.8
O155.121.48-8.549163.6150.9
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I6.0832.525-1.741-13.481.947-3.693
C-4.670-1.9381.33111.08-1.2972.367
O19.666.264-7.558-32.049.359-18.78
S1S2S3SINTSEQV
I18.71-2.416-9.42828.1425.37
C7.9181.702-14.9022.8120.43
O52.69-12.09-22.2474.9370.41
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-2.816237.3-3.909-46.58-11.4217.60
C-10.17188.412.39-16.026.88015.90
O17.56152.116.72-53.1539.08-13.01
S1S2S3SINTSEQVTEMP
I246.97.410-23.69270.5256.4300.0
C189.820.59-19.84209.6192.6
O180.96.423-0.9383181.8178.2300.0
设计载荷下沿路径PATH3的应力线性化数值结果
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=3470OUTSIDENODE=3578
LOADSTEP1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-13.80137.4-9.796-2.2660.9549E-0126.97
S1S2S3SINTSEQV
137.515.23-38.86176.3156.5
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-0.7642111.94.9271.3190.1503-8.517
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O0.7642-111.9-4.927-1.319-0.15038.517
S1S2S3SINTSEQV
I112.011.06-6.910118.9111.0
C0.0000.0000.0000.0000.000
O6.910-11.06-112.0118.9111.0
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-14.56249.4-4.869-0.94700.245818.45
C-13.80137.4-9.796-2.2660.9549E-0126.97
O-13.0425.50-14.72-3.585-0.5480E-0135.49
S1S2S3SINTSEQV
I249.49.361-28.80278.2261.2
C137.515.23-38.86176.3156.5
O26.8720.33-49.4676.3373.28
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I8.15522.4410.53-5.2311.320-14.62
C-7.657-32.02-6.540-0.1007-1.8506.662
O103.545.8716.75-4.209-1.207-46.80
S1S2S3SINTSEQV
I27.9218.85-5.64833.5730.08
C-0.3482-13.71-32.1631.8127.67
O124.145.88-3.836127.9111.7
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-6.410271.85.658-6.1781.5663.829
C-21.46105.4-16.34-2.367-1.75533.63
O90.5071.372.023-7.794-1.262-11.31
S1S2S3SINTSEQVTEMP
I272.06.770-7.667279.6272.7300.0
C105.514.74-52.63158.1137.5
O94.4268.950.529693.8984.10300.0
4
支座应力分析
几何模型
结构由筒体、球封头、内件支座与设备支座锻件以及外支座组成。
由于分析重点是球封头与内外支座的连接部位,模型中忽略了封头开孔和外挂支座上部,因此几何上是轴对称结构。
内支座与内件之间、设备支座与外支座之间均为接触关系,相互只能传递压应力和少量摩擦力。
为了模拟这些现象,我们在结构中添加的内支座垫块,该垫块的尺寸保守地偏向锻件内边缘。
几何模型见下图。
图6.几何模型
上图中具体尺寸如下:
C=1.5!
厚度附加量
R=2510/2+C
T=148.2-C
H1=250
H2=100-C
H3=1100
H4=160
RI=2150/2+C
RO=3030/2
RS=1270+C
TS=120-C
RN=RI-5
TN=100
HN=200
RA=140+C
RB=10+C
RC=20
RD=10
RE=30
RF=10
TQ=65
RQ=3180/2-TQ
RQI=2840/2
HQ=150
AQ=5
BQ=5
有限元模型见下图。
有限元模型中,结构本体使用二维结构单元PLANE82,轴对称选项。
接触面采用接触单元CONTA172和TARGE169。
图7.有限元模型
力学模型
结构给定以下约束:
●外挂支座上端截面的轴向位移为0
结构承受以下载荷:
●作用于筒体、球封头和及连接锻件内表面的压力16.0MPa
●结构自重
●作用于筒体上端部的由于内压引起的轴向力(向上、均布、按设计压力计算)和由于筒体上截面以上壳体总重量320吨(向下,对于支座计算而言偏保守),取二者代数和
●作用于内件垫块顶端的内件操作时重量313吨(略大于卡萨利提供的数值,偏保守),均布于半径为RN和RN+TN的圆环面(符号意义见几何模型)
约束和载荷见下图。
图8.支座结构载荷与约束图
计算结果和评定
应力校核截面。
根据本结构应力分布情况,取8个截面(PATH1—PATH8)进行应力评定。
PATH1—PATH6在筒体与封头连接锻件上,PATH7、PATH8在外支座锻件上。
图9.应力评定截面(路径)位置图
应力评定分布图如下。
图10.应力强度分布图
(1)路径PATH1上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0079.07222.00合格
(2)路径PATH1上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00137.60222.00合格
(3)路径PATH2上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0067.70222.00合格
(4)路径PATH2上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00116.50222.00合格
(5)路径PATH3上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00102.50222.00合格
(6)路径PATH3上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.00122.00222.00合格
(7)路径PATH4上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0066.41222.00合格
(8)路径PATH4上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0090.30222.00合格
(9)路径PATH5上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0040.94222.00合格
(10)路径PATH5上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0050.84222.00合格
(11)路径PATH6上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0039.41222.00合格
(12)路径PATH6上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
SA-336Gr.F11Cl.3300148.0043.31222.00合格
(13)路径PATH7上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm计算应力许用极限1.5KSm结论
16Mn300116.0038.61174.00合格
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