高压容器剖分式快开结构的设计及强度分析

摘要

随着科学技术的迅速发展，压力容器在各行各业中的应用越来越广泛，对结构的要求越来越高，快速式结构作为压力容器中常用的结构之一，为满足一些特殊工艺和操作的要求应用也越来越广，广泛应用于化工、造纸、建材、纺织、食品、航天、医疗等各个工业领域。快开式容器中的快开结构作为压力容器中主要的受压部件，其结构及受载状态均十分复杂，我国尚未形成相应的标准，快开式结构的设计计算更多的时候需要依靠设计人员的经验，只能参照国内外的类似计算规定，参照的标准不同，计算出的快开结构尺寸各异，安全系数过高则不经济，竞争力差，安全系数过低则不安全，所以对这一结构的受力需要采用更加科学合理的方法。
　　高温高压压力容器的研究应在不增加成本的基础上，最大限度的满足现代工业的需要，最大限度的提高设备的使用寿命，保障社会效益和经济效益，主要可以从材料、评定技术和设计方法三个方面展开研究，相比于材料和评定技术两方面，设计方法在目前技术条件下更加经济、效率也更高。
　　高温高压容器由于其结构特点，所承装介质等的影响，对于这类问题，常规设计计算复杂，有些甚至无法用常规设计解决，需要借助分析设计的方法。本文主要以某公司的一款剖分式快开气压釜为模型，该容器工作温度为200℃，设计压力16MPa，相较于以往研究的常温或承水压力容器，此气压釜发生事故危害更大，造成的人员生命财产损失有更大的威胁，对设计者及设计的产品也提出了更高的要求，采用分析设计的方法能在一定程度上弥补常规设计的不足。
　　根据快开式结构的基本原理，可将其划分为卡箍式、齿啮式、压紧式、剖分式、移动式五种类型。本文基于某公司一款实际设计中的剖分式快开气压釜，从设计方法上对此类高温高压工况情况下剖分式快开结构的安全问题进行了分析、探讨。考虑到气压釜的结构、受力存在对称性，采用经典三维软件Solidworks建立气压釜的三分之一模型，然后导入Ansys Workbench软件，进行有限元分析，即可减少计算量，又可较为直观的展示气压釜各部分的应力及变形情况，首先通过结构的静力学分析，找出气压釜的应力集中区域并在最大应力位置选择评定路径，对应力进行分类，然后根据各类应力所对应的评定标准，对分析结果进行应力强度评定。
　　其次，针对静力学分析得出的在最大工作压力和最小工作压力时的各个部件的危险截面处，依据JB4732-1995查相关材料的S-N曲线，通过在相关循环载荷工况和设计加载循环次数下的疲劳分析，计算各个部件应力波幅最大点，得出气压釜各部件的疲劳寿命N＞10000，各部件的疲劳累积损伤系数均小于1，说明气压釜设置的启闭次数为10000次，符合疲劳强度要求。
　　基于对气压釜的有限元分析，为以后高温高压容器的设计从设计方法上提出了借鉴与参考。

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