太原科技大学毕业设计（论文）
多年来国内外在发展和完善技术的同时，还采取了以下几个方面的措施：
(1)提高焊接质量，减少焊接数量：采用新的焊接结构，减少焊缝数量，避免深厚焊缝；应用气体保护焊，窄间隙焊，现场整体热处理等技术，以提高焊接质量，尽量避免裂纹类的危险缺陷。
(2)进行定期检查：用磁粉或着色探伤，超声探伤或射线探伤方法对在役高压容器进行定期检验，检验时间间隔可按最大可能的漏检缺陷尺寸和实际检验到的缺陷尺寸脉利用断裂力学的理论来确定，但应符合国家已颁布的技术法规。检查时应特别注意原始缺陷的扩展情况，一旦发现缺陷扩展，应按实际情况酌情处理。
(3)合理操作和维护：制定相应得操作规程和维护说明书，要求操作人员对高压容器的结构，性能，截至状况，操作规程和应急措施有全面的了解，并能正确操作。 然而，由于引起高压容器发生破坏的因素及其复杂，以及原材料，制造缺陷和使用中促使裂纹扩展的不可避免性，虽然理论分析和成功的事例均已证明，采用上述设计技术和安全措施能在某种程度上降低高压容器发生破坏的概率，但仍然从根本上避免高压容器发生破坏，这促使了高压容器安全保护技术和在线安全监控技术的发展，其中应用较广且效果很好的有：
(1)安全保护技术：采用附设的保护装置来防止容器万一发生破裂时，由碎片，强烈的冲击波和喷溅出来的介质造成的巨大的损失，如蓄能保护架，外保护壳，和防爆墙等。
(2)在线检测技术：动态检测高压容器在使用过程中缺陷的变化情况，获取缺陷的动态信息，借助计算机并利用断裂力学成果分析缺陷的危害性并及时报警，如声发射监控技术，在容器危险部位设置传感器技术和自保护层在线监控技术等。 2.7.3高压容器技术的发展趋势
从高压、大型容器的基本特点和使用要求等方面考虑，其发展趋势可以归纳如下几点： (1)原材料简单，材质自然可靠，缺陷少且小，并能被容器结构自然分散； (2)应力分布合理，能够实现容器的环向、轴向、内壁、外壁等强度优化设计； (3)在使用压力条件下具有“抗爆\安全特性，即使万一发生裂纹严重扩展，也不会发生整体断裂爆破的破坏方式；
(4)容器的制造不需昂贵设备和特殊困难技术，制造过程不会形成严重制造缺陷； (5)无复杂困难的深厚焊缝，生产效率高，制造成本低。简体易于实施开孔接管， 且使用安全可靠；
(6)能经济可靠地实现在线安全状态自动监控和内壁腐蚀诊断，介质泄漏亦能自动收
- 16 -
太原科技大学毕业设计（论文）
集处理，避免介质外泄引起燃烧、中毒、爆炸等严重后果；
(7)能够显著延长停产开罐检测的使用周期，实现设备的“预知维护”，显著节省停产检修的时间、次数及避免其严重经济损失；
(8)容器结构设计灵活，适应变化范围广，具有较好的抵抗地震或风暴等冲击破坏能力。
高压容器的制造与应用，是以设计为前提和基础的。随着工业发展需求和高压容器所处工况的日益苛刻，高压容器正朝着大型化、复杂化、高参数(高压、高温、低温)、严工况的方向发展，从而对高压容器的设计与制造介绍了更高的要求。
2.8压力容器设计方法的发展
压力容器是化工、石油、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。为了解决压力容器使用过程中的安全问题，世界各地均严格实行了规范化设计，而随着科技水平的不断提高，特别是ANSYS等有限元软件的出现，为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作。
压力容器的基本要求是安全性和经济性。安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。保证安全，不是盲目地增加壁厚、提高材料品质，而应从合理的结构设计、精确的强度计算、合理的材料选用以及正确的技术要求等方面着手。通常应使所设计的压力容器满足如下基本要求：有足够的强度、刚度、使用寿命以及合理的结构。总之，压力容器的设计一定要围绕安全、经济、环保三点。
为保证压力容器安全运行，保障人民生命财产的安全，必须十分重视压力容器的设计。20世纪50年代以来，压力容器出现了大型化、高参数和选用高强度材料的趋势。设计思想也由传统的防止容器发生弹性失效，发展成为针对不同失效形式的多种设计准则，并形成了常规设计和分析设计两个自成体系、相互独立的设计方法。
常规设计又称“按规则设计”(Design by Rules)，以区别于分析设计。常规设计只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，因而不涉及容器的疲劳寿命问题。
在求解压力容器各受压元件应力时，主要采用材料力学及板壳理论，按最大拉应力准则来推导受压元件的强度尺寸计算公式。强度校核时，大部分场合将受压元件的应力强度限制在材料的许用应力以内。对结构不连续处的边缘应力，常规设计采用分析设计标准中的有关规定和思想，确定元件结构的某些相关尺寸范围，或借助于大量实践所积累的经验引入各种系数来限制。如在椭圆形封头和碟形封头厚度计算式中引入的形状系数；对于碟
- 17 -
太原科技大学毕业设计（论文）
形封头，规定其过渡区的内半径，应不小于球冠区内半径6％，以避免球冠区和过渡区曲率半径的突然改变而引起的边缘应力；不等厚的对接焊，与两板厚度之差超过一定值时，规定对厚板须按一定斜度进行削薄过渡处理等。
常规设计经过了长期的实践考验，简便可靠．目前仍为各国压力容器设计规范所采用。然而，常规设计也有其局限性，主要表现在以下几方面。
(1)常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。然而，压力容器在实际运行中所承受的载荷不但有机械载荷，而且往往还有热载荷，同时这些载荷还可能有较大的波动，热载荷引起的热应力对容器失效的影响是不能通过提高材料设计系数或加大厚度的办法来有效改善的，有时厚度的增加倒起了相反的作用。例如，厚壁容器的热应力是随厚度的增加而增大；而交变载荷引起的交变应力对容器的破坏作用是不能通过静载分析来作出合理评定和预防的。
(2)常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为简体和部件是安全的。显然，这种做法的不足之处在于没有对容器重要区域的应力进行严格而详细的计算，从而也就无法对不同部位、由不同载荷引起、对容器失效有不同影响的应力加以不同的限制。同时，由于不能确定实际的应力、应变水平，也就难以进行疲劳分析。例如，在一些结构不连续的局部区域，由于影响的局部性，这里的应力即使超过材料的屈服点也不会造成容器整体强度失效，可以给予较高的许用应力。不过，由于应力集中，该区域往往又是容器疲劳失效的“源区\，因此又可能需要进行疲劳强度校核。
(3)常规设计规范中规定了具体的容器结构形式，它无法应用于规范中未包含的其他容器结构和载荷形式，因此，不利于新型设备的开发和使用。
分析设计不同于常规设计，它需要以详尽的应力分析报告为依据，以严格的选材与工艺质量检验为保证，还需要近代的分析计算工具及实验技术为手段。分析设计的发展也是建立在数值分折方法、弹塑性理论、板壳理论、测试技术的发展以及电脑广泛应用的基础之上的。
分析设计涉及了各种可能失效模式中的一些主要的失效模式。经过多材料、结构、计算、制造、检验等各方面综合考虑，对其应力强度提出了合理的限制条件，可防止相关的失效模式产生。分析涉及根据所考虑的失效模式比较详细地计算了容器及受力元件的各种应力，并根据各种应力本身的性质及对失效模式所起的不同作用予以分类，再采用不同的应力强度条件给予限制，体现“等安全裕度”的原则，可充分地发挥材料的承载潜力。分
- 18 -
太原科技大学毕业设计（论文）
析设计不采用弹性失效准则，而采用塑性失效和弹塑性失效准则，允许结构中出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位做有限寿命设计。
分析设计更具有科学性与安全性，由于对部件及所关心的部位进行了详细的应力计算，搞清了应力分布的情况；并按应力的性质与作用进行应力分类，对不同种类的应力分别加以控制，摒弃了传统的同一许用应力的做法。该厚处加厚，该薄处减薄，不盲目的一起加厚或减薄。三十多年的实际运用表明：采用分析设计设计的容器安全可靠，并具有经济性；与常规设计相比，一般可节省材料20%~30%，还可以减少制造加工量、降低运输费用。
现行的分析设计方法是以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法，工程应用的关键是对压力容器部件受载工况下的应力分析结果，根据结构的不同失效形式进行应力分类，而后将分类后的应力按相应的应力强度准则加以限制以设计出安全可靠、经济的压力容器。
2.9本章小结
(1)首先介绍了焦炭塔实际模型、操作工况及失效形式。 (2)详细阐述了压力容器的定义，分类以及其失效形式。
(3)高压力容器的特点是多采用细长结构、密封装置特殊复杂多样、使用工况苛刻，受力状态复杂等，高压容器正朝着大型化、复杂化、高参数、严工况的方向发展。
(4)压力容器设计方法的发展, 现行的分析设计方法是以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法，工程应用的关键是对压力容器部件受载工况下的应力分析结果，根据结构的不同失效形式进行应力分类，而后将分类后的应力按相应的应力强度准则加以限制以设计出安全可靠、经济的压力容器.
- 19 -
太原科技大学毕业设计（论文）
第3章风载荷的计算与模拟
3.1引言
风是空气的流动，是空气从气压高的地方向气压低的地方流动而形成的，当气流遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。风速越大，风对结构的压力也就越大，从而使结构产生大的变形和振动。
研究结构在风作用下的动力响应，理论上一般有在频率域和时间域求解两类方法。对于塔式压力容器，因为其具有两面的特点，采用频率域和时间域相结合的分析方法更为精确。
3.2风的简介
3.2.1风定义
风是指空气的流动，相对于地表面的空气运动,通常指它的水平分量，以风向、风速或风力表示，浅显地说就是空气从气压高的地方向气压低的地方流动而形成的，当气流遇到结构的阻塞，就形成高压气幕。风速越大，风对结构的压力也就越大，从而使结构产生大的变形和振动。 3.2.2风的成因
形成风的直接原因是水平气压梯度力。风受大气环流、地形、水域等不同因素的综合影响，表现形式多种多样，如季风、地方性的海陆风、山谷风、焚风等。简单地说，风是空气分子的运动。要理解风的成因，先要弄清两个关键的概念：空气和气压。空气的构成包括：氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占21%）、水蒸气和其他微量成分。所有空气分子以很快的速度移动着，彼此之间迅速碰撞，并和地平线上任何物体发生碰撞。而气压的变化，有些是风暴引起的，有些是地表受热不均引起的，有些是在一定的水平区域上，大气分子被迫从气压相对较高的地带流向低气压地带引起的。大部分显示在气象图上的高压带和低压带，只是形成了伴随我们的温和的微风。而产生微风所需的气压差仅占大气压力本身的1%，许多区域范围内都会发生这种气压变化。相对而言，强风暴的形成源于更大、更集中的气压区域的变化。 3.2.3风的等级
风速是指空气在单位时间内流动的水平距离。根据风对地上物体所引起的现象将风的大小分为13个等级，称为风力等级，简称风级。以0～12等级数字记载。风力
- 20 -