论文总字数：19108字

摘 要

由于设计参数和工程实际的需求，一些过程设备不可避免的要开设各种大开孔。大开孔之后不仅会削弱设备壁的强度，而且开孔处结构的连续性会被破坏，从而产生很高的局部应力，给实际的安全生产带来极大隐患。大开孔的补强设计超出了规则设计标准的适用范围，限制着过程设备的发展。近年来，随着有限元技术的发展，通过有限元法进行应力分析是一种非常好的设计方法，具有极大的安全性和经济性。

本论文基于应力分析设计法，采用有限单元法，应用ANSYS软件，建立三维实体模型，对某精馏塔塔釜部分的大开孔结构进行了应力分析。由于该设备结构的特殊性，需考虑风载荷、地震载荷及自重等因素的影响，通过应力分析及对连接结构处的强度评定，提出了改进该设备连接结构的措施，从而解决了精馏部分的支撑问题和增强了塔釜和塔体连接的强度，提高了设备的经济性,解决了一个实际的工程问题。

关键词：大开孔 有限元法 应力分析 结构改进

Stress analysis and Structure improvement of tower cauldron with large opening

Abstract

Due to the design parameters and the actual needs of the project, some process equipment will inevitably open a variety of large openings. After a large opening, not only the strength of the equipment wall will be weakened, but also the continuity of the structure at the opening will be destroyed, resulting in a very high local stress, which brings great hidden danger to the actual safety in production. The reinforcement design of large openings goes beyond the scope of application of the rule design standards and limits the development of process equipment. In recent years, with the development of finite element technology, stress analysis through finite element method is a very good design method, which has great safety and economy.

In this paper, based on the stress analysis design method, the finite element method and ANSYS software are used to establish a three-dimensional solid model to analyze the stress of the large opening structure of a distillation tower. Because of the particularity of the structure of the equipment, the influence of wind load, seismic load and dead weight should be considered. through stress analysis and strength evaluation of the connection structure, the measures to improve the connection structure of the equipment are put forward. as a result, the support problem of the distillation part is solved, the strength of the connection between the tower kettle and the tower body is enhanced, the economy of the equipment is improved,and a practical engineering problem is solved.

Key Words: Large opening; Design by analysis; Stress analysis; Structure improvement

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 压力容器的设计方法 1

1.2.1 按规则设计 1

1.2.2 分析设计 2

1.2.3 两种设计规范的比较说明 2

1.3 应力分类 2

1.3.1 一次应力 2

1.3.2 二次应力 3

1.3.3 峰值应力 3

1.3.4 小结 3

1.4 开孔补强的研究现状 4

1.4.1 压力面积法 4

1.4.2 极限压力法 4

1.4.3 有限单元法 5

1.4.4 小结 5

1.5 本文的主体内容 5

第二章 大开孔塔釜结构的强度分析 7

2.1 结构分析 7

2.2 有限元模型的建立 8

2.2.1 模型建立 8

2.2.2 边界条件 10

2.2.3 载荷条件 11

2.3 应力分析及强度评定 13

2.3.1 应力分析 13

2.3.2 强度评定 18

2.4 小结 20

第三章 大开孔塔釜结构改进及强度分析 21

3.1 局部筒体补强 21

3.1.1 模型建立 21

3.1.2 改进后结构的应力分析及强度评定 22

3.2 小结 29

第四章 总结 30

4.1 设备改进经济评价 30

4.2 本论文的总结 30

4.3 展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

依靠石化、医药以及海洋航天工程技术的发展，过程设备逐渐向大型化、高参数、连续化方向发展，由于生产和实际工程的需求，对于压力容器的开孔问题由以前的尽量避免开孔或开小孔问题发展为大开孔问题。大开孔问题对于压力容器的影响十分巨大^[1][2]，极不利于压力容器的安全运行和保障人民生命财产的安全。在开孔区有繁杂的应力分布^[3]，因此有了许多值得研究的疑难问题。就像开孔区域的应力分布大小问题、开孔补强措施以及设备结构的合理化设计等。

本文研究的课题来源于一项工程实际，该课题中的设备由两部分结构组成，塔釜部分为卧式容器，塔体部分属于精馏部分。塔在石化等相关行业内扮演着重要的角色，由于塔设备的特殊性^[4][5]，在实际的安全生产中还需考虑风载荷、地震载荷等的影响。本课题的这个工程结构由于与一般的容器开孔相比有特殊的地方，即在开孔处除了压力载荷外，还需要考虑精馏部分传递来的风载荷和地震载荷。因此本文所研究的课题面临的问题是如何设计精馏部分的支撑和如何保证塔釜与塔体的连接结构的强度。所以本文通过寻求相应的技术手段，对该大开孔结构进行了应力分析以及强度评定，进而对该设备的结构进行相应的合理化设计，从而达到保证设备的安全运行，提高设备的经济性，解决了一个实际的工程设计问题。

1.2 压力容器的设计方法

目前有两种设计方法^[6]，其中一种是传统设计方法，称为“按规则设计”。另一种是与之相平行的标准，其要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，称为“分析设计”。近年也出现了基于断裂力学设计压力容器的方法，本文接下来对规则设计法和分析设计法做一简要叙述。

1.2.1 按规则设计

规则设计法^[7]是以弹性失效设计准则^[8]为设计理论基础。规则设计在实际分析中不用思考变化的载荷情况和过程设备疲劳寿命的解决手段，其只需要思考独立的条件下的最大载荷，同时将相关载荷通过具体方式变为静力载荷，并进行单次施加。

1.2.2 分析设计

分析设计^[9][10]不再依靠传统的设计准则，而是重新进行了准则修正。即该法遵从弹性应力分析、塑性失效准则和弹塑性失效准则。该法的独特之处是对各种应力有详尽计算，然后将这些应力进行相应的分类，进而采用相应的措施对这些应力达到控制，从而保证压力容器在服役期内不会因应力问题而发生各种形式的失效，虽然该法设计过程复杂耗时，但该设计方法具有安全性和科学性。

1.2.3 两种设计规范的比较说明

由于压力容器的两种设计方法对应着不同的两种设计规范^[11][12]，所以二者在不同的应用场合有各自的优缺点^[13][14]。规则设计的设计方式相当简洁，充分应用了实际经验和经典的力学知识，所以对于工况简单的压力容器的设计十分便捷；但由于规则设计对应力处理的不足性，以及其设计规范的局限性，使其不能准确地认识容器的失效原因，同时也限制着压力容器的发展。相比于规则设计，分析设计采用了精细的应力分析方式，从而精确地对压力容器的失效形式进行分析，适用于苛刻的设计工况^[15]，从而达到了科学性和严密性，同时也极大地提高了设计结构的合理化；但由于其设计思想的严谨性，需要进行大量繁杂的计算分析，会产生相应的时耗和增加经济支出。本文基于后者严谨的设计思想，在后文中将会进行充分地应用。

1.3 应力分类

近年来随着与压力容器行业相关联的工业领域的飞速发展，传统设计规范的不足日渐显著，为了实现经济性与安全性的同步提高，对压力容器中的各种应力分清主次，进行分类就显得十分有必要了。而且随着各项技术的发展，同时结合应力分析以及相关经验实践，就可以相对清晰的展现出各种应力对压力容器失效的影响。

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