压力容器的结构分析与安全评估研究

论文摘要

压力容器通常在承压状态下工作，并且所接触的介质多为高温或易燃易爆物，一旦发生事故，将会给人们的生命财产造成不可估量的损失。锅炉压力容器的低周疲劳失效，是最常见的恶性事故之一，许多锅炉因此而报废；液化气压力容器发生事故造成的危害更大，其引发的火灾及爆炸不仅会毁坏大量的工业和生活设施，而且还会造成严重的环境污染。 压力容器出现的事故，许多都与容器结构中存在的缺陷或裂纹有关。由于国内外对容器失效和断裂力学机理的研究仍不成熟，许多实际问题仍然得不到有效的解决。针对锅炉和液化气压力容器，文中系统运用三维瞬态有限元方法计算和分析了各种压力容器工作或事故状态下的温度场和应力场，探讨了影响应力的各种因素，并结合这四种压力容器的工作特点，进行了结构分析和安全评估研究。 主要研究工作可分为四个方面：锅炉汽包、锅炉受热排管、液化石油气(LPG：liquefied petroleum gas)球形储罐和液化乙烯气(LEG：liquefied ethylene gas)椭圆货舱。 对锅炉汽包，统地运用三维瞬态方法计算和分析了在各种典型工况下锅炉汽包的温度场和应力场，探讨了汽包上下、内外壁温差和局部温度不均匀对应力的影响规律。在结构分析的基础上，结合裂纹尖端张开位移(CTOD：crack tip opening displacement)法，计算了汽包危险部位的总应力以及该点裂纹的年扩展量，并根据材料的断裂韧度确定了裂纹的临界尺寸；进行了锅炉汽包的疲劳分析，预测了锅炉使用寿命。并且将锅炉汽包计算和分析结果应用于某电厂实际，取得了较大的经济效益。 对锅炉受热排管，计算和分析了某锅炉蒸发器及Ⅰ、Ⅱ级省煤器排管在不同设计方案下的温度、热应力、机械应力和总应力，通过不同方案的比较与分析，为其设计提供了优化依据。文中采用平面二维排管模型分析了排管断面温度及应力分布规律，找出了影响应力大小和分布的主要因素；采用三维排管模型，发现了高温区出现在中间肋板上并引起附加热应力，从而确定了在设计中去掉中间肋板的优化设计方案。这与国外类似锅炉为降低热应力在各管间鳍片

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究目的与意义
• 1.1.1 压力容器失效的危害性
• 1.1.2 锅炉压力容器安全评估的重要性
• 1.1.3 液化气货物储运的安全性要求
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 压力容器研究动向
• 1.2.2 锅炉汽包的结构分析
• 1.2.3 液化气容器的热响应
• 1.2.4 疲劳分析
• 1.2.5 裂纹分析
• 1.2.6 结构分析的模型与方法
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 论文课题背景
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 论文结构框架
• 第2章 结构分析理论与灰色预测模型
• 2.1 结构分析的基本理论
• 2.1.1 热传导理论
• 2.1.2 热弹性理论
• 2.1.3强度理论
• 2.2 结构分析的解析方法
• 2.2.1 锅炉汽包的热应力
• 2.2.2 锅炉汽包的机械应力
• 2.2.3 LPG球型储罐的薄膜应力
• 2.2.4 LEG椭圆货舱的稳定性
• 2.2.5 开孔压力容器的应力集中
• 2.3 灰色预测模型
• 2.3.1 设备运行状态的灰色预测模型
• 2.3.2 灰色预测模型精度检验
• 2.4 本章小结
• 第3章 压力容器的传热分析
• 3.1 锅炉汽包的传热分析
• 3.1.1 汽包传热分析模型
• 3.1.2 汽包传热分析
• 3.2 锅炉受热排管传热分析
• 3.2.1 排管传热分析模型
• 3.2.2 排管传热分析
• 3.3 火焰环境下LPG球型储罐的传热分析
• 3.3.1 LPG储罐传热分析模型
• 3.3.2 LPG储罐传热分析
• 3.4 低温环境下 LEG椭圆货舱的传热分析
• 3.4.1 LEG货舱传热分析模型
• 3.4.2 LEG货舱传热分析
• 3.4.3 LEG货舱温度预测
• 3.5 本章小结
• 第4章 压力容器的应力分析
• 4.1 锅炉汽包的三维瞬态应力分析
• 4.1.1 汽包应力分析模型
• 4.1.2 汽包热应力分析
• 4.1.3 汽包机械应力分析
• 4.1.4 汽包总应力分析
• 4.1.5 汽包应力分析结果的应用
• 4.2 锅炉受热排管的应力分析
• 4.2.1 排管应力分析模型
• 4.2.2 排管热应力分析
• 4.2.3 排管机械应力分析
• 4.2.4 排管总应力分析
• 4.2.5 排管优化设计
• 4.3 火焰环境下LPG球型储罐的应力分析
• 4.3.1 LPG储罐应力分析模型
• 4.3.2 LPG储罐热应力分析
• 4.3.3 LPG储罐机械应力分析
• 4.3.4 LPG储罐总应力分析
• 4.3.5 LPG储罐相关防护措施
• 4.4 低温环境下LEG椭圆货舱应力分析
• 4.4.1 LEG货舱应力分析模型
• 4.4.2 LEG货舱热应力分析
• 4.4.3 LEG货舱机械应力分析
• 4.4.4 LEG货舱总应力分析
• 4.4.5 LEG货舱应力预测
• 4.4.6 LEG船航行时降低货舱应力的措施
• 4.5 本章小结
• 第5章 裂纹分析与寿命估算
• 5.1 断裂力学理论基础
• 5.1.1 断裂的基本概念
• 5.1.2 应力场强度因子
• 5.1.3 裂纹尖端张开位移（CTOD）
• 5.1.4 弹塑性断裂力学—J积分理论
• 5.1.5 压力容器的破坏形式与失效准则
• 5.2 压力容器的疲劳与寿命
• 5.2.1 疲劳破坏
• 5.2.2 高周疲劳与低周疲劳
• 5.2.3 累积损伤
• 5.2.4 压力容器寿命特点
• 5.2.5 压力容器设计疲劳曲线
• 5.3 锅炉汽包裂纹计算
• 5.3.1 汽包裂纹失效判据
• 5.3.2 汽包裂纹临界尺寸
• 5.3.3 汽包裂纹年扩展量
• 5.4 锅炉和液化气容器的疲劳寿命分析
• 5.4.1 锅炉汽包疲劳寿命估算
• 5.4.2 液化气容器疲劳分析
• 5.4.3 提高容器疲劳寿命的措施
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目