(毕业设计)夹套反应釜的改造设计与疲劳研究

摘要
在化工生产过程中，随着工艺生产条件要求的提高，原设备往往因不能满足生产条件的需要而遭废置。

对原有的压力容器进行改造设计，使其强度、刚度等满足新的生产条件的要求，可以大大的降低生产成本，提高经济效益。

改造后的压力容器则需要对其安全性进行重新的评估，使其能保证安全生产。

本文研究的对象是改变工作条件后受交变载荷的夹套反应釜设备，对其主要进行了以下研究：
（1）通过对夹套反应釜的结构分析，对其模型进行了简化，然后在ANSYS 软件中使用壳单元建立其有限元模型。

基于弹性力学有限元分析，计算了改造前该设备各处的应力，得出其无法在新的工作载荷下安全工作的结论。

（2）提出了对该夹套反应釜改造的三种方案，并根据经济性和安全性选取了最合适的改造方案，即在上、下夹套与内筒体连接处分别焊接了32、16块10mm 厚的筋板。

有限元计算结果表明改造后的该设备能在新的工作载荷下安全工作。

（3）运用有限元方法，考虑了设备材料的塑性变形，对改造后的夹套反应釜分别进行了弹塑性分析和安定性分析，得到了更为接近工程实际的应力分析结果，并进一步的说明了该改造后该设备的安全性。

（4）基于分析设计对改造过后的夹套反应釜的最大应力点20714进行了应力分类，保证了该节点处的一次和二次应力满足要求。

再利用S-N曲线进行疲劳评定，分析结果显示改造后的该夹套反应釜满足疲劳要求。

本文对压力容器改造设计和受交变载荷的容器的疲劳研究能提供一些参考和指导，具有一定的理论意义和工程实用价值。

关键词:改造设计;有限元;疲劳分析
Abstract
With the improvement of the conditions required for the production process, the original equipment which cannot meet the needs of production conditions are often abandoned in the chemical production process. But the original equipment can have enough strength and stiffness to meet the requirements of the new production conditions by reconstruction. The equipment reconstruction can also improve economic benefit because the production costs would be greatly reduced. After reconstruction, The safety of the pressure vessel should be evaluated again to ensure the safe production.
In this paper, the study object is the jacketed reactor which bears alternating load after changing the working condition. The main works are as follows: （1）Based on analysis of the jacketed reactor’s structure , The model was simplified. Then the finite element model was established by using shell elements in ANSYS.The stress in the original equipment was calculated by elastic finite element analysis. The conclusion was that the original equipment cannot work safely in the new work load.
（2）Three options for the jacketed reactor reconstruction were put forward, and the most appropriate program was selected according to the economic and security. The best solution is that 32 rib plates are welded around the upper cylinder and the jacket and 16 rib plates are welded around the lower cylinder and the jacket. Finite element calculation results showed that the equipment can work safely after the reconstruction in the new work load.
（3）Using the finite element method, the elastic-plastic analysis and shakedown analysis are made by taking the plastic deformation of materials into consideration. Because the result of stress analysis is closer to engineering, the security of the equipment after reconstruction can be further demonstrated.
（4）Using the design analysis of steel pressure vessel, the stress classification of the highest-stress node 20174 is made to ensure the primary and the secondary stress is within a limited range. Then the fatigue assessment is made by using S-N curves, the result shows that the jacketed reactor after can meet the fatigue requirements after reconstruction.
In this paper, some reference and guidance are provided in pressure vessel reconstruction and fatigue of pressure vessel with alternating load .They have some theoretical significance and practical value.
Key words: Design of reconstruction;Finite element method;Fatigue analysis
目录
摘要 (I)
Abstract............................................................ I I 1 绪论.. (1)
1.1 引言 (1)
1.2现行的压力容器疲劳设计规范 (1)
1.3现行的疲劳设计方法 (2)
1.4国内外压力容器的疲劳研究现状 (5)
1.5论文主要研究内容与意义 (8)
1.5.1论文主要研究内容 (8)
1.5.2 论文的研究意义 (8)
2 夹套反应釜的改造设计与线弹性静力学分析 (9)
2.1项目描述 (9)
2.2有限元方法理论 (10)
2.2.1有限元方法介绍 (10)
2.2.2有限元分析的基本步骤 (10)
2.2.3ANSYS软件介绍 (11)
2.3改造前夹套反应釜的应力分析 (14)
2.3.1模型建立 (14)
2.3.2施加边界条件与载荷 (16)
2.3.3有限元分析结果 (17)
2.3.4结果分析 (18)
2.4改造方案 (18)
2.5改造后夹套反应釜的线弹性静力学分析 (20)
2.6 本章小结 (22)
3.1 弹塑性分析 (23)
3.1.1 塑性理论简介 (23)
3.1.2求解结果 (24)
3.2 安定性分析 (25)
3.2.1 安定性分析理论 (25)
3.2.2安定性校核 (27)
3.2.3安定性结果分析 (28)
3.3本章小结 (30)
4夹套反应釜的疲劳研究 (31)
4.1应力分析与强度评定 (31)
4.1.1分析设计理论 (31)
4.1.2改造后夹套反应釜的强度评定 (33)
4.2疲劳分析理论 (34)
4.2.1疲劳分析的定义 (34)
4.2.2疲劳分类 (34)
4.2.3我国的以疲劳分析为基础的设计 (35)
4.3改造后夹套反应釜的疲劳校核 (35)
4.4本章小结 (37)
5结论与展望 (38)
5.1结论 (38)
5.2展望 (38)
参考文献 (40)
附录 (44)
外文翻译 (45)
1 绪论
1.1 引言
疲劳问题首先产生于19世纪初蒸汽机车的运动部件破坏[1]，在1939年由法国教授J. V. Poncelent首先提出“金属疲劳”这一概念，有关疲劳的研究已经持续了一百七十多年[2]。

疲劳的一般定义为：在反复交变载荷作用下，材料(零部件或结构)的失效行为称为疲劳[3]。

20世纪60年代以前，疲劳常常不是压力容器设计时必须考虑的因素，这主要是因为不用承受很高的循环次数的交变载荷。

同时，设计应力较低，以及制造压力容器的材质通常具有较高的塑性，不致造成裂纹的迅速扩展。

因此,疲劳分析显得并不突出[4]。

但近年来，随着压力容器设计规范的修订，安全系数的下降，容器在实际工作中承受的应力水平有了较大的提高。

同时，随着容器的大型化，特厚材料的应用不断增加，高强度钢的应用日益广泛，材料及其焊缝更容易形成各种缺陷，这些都增加了压力容器的疲劳失效的危险性。

据统计，20世纪60年代以来，国外压力容器的破坏事故中，有40%左右是由于疲劳裂纹扩展引起的[5]。

所以许多国家对于压力容器的疲劳研究给予了很高的重视。

同时，在许多国家的压力容器设计规范中也陆续增加了以疲劳分析为基础的设计方法，如美国ASME《锅炉及压力容器规范》第Ⅲ篇及第Ⅷ篇第二分篇、第三分篇，英国BS5500《非直接火焊制压力容器设计规范》、日本HPIS-C-103《超高压圆筒容器设计指针》、国际压力容器标准ISO/DIS2694及我国的JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》等[3]。

1.2 现行的压力容器疲劳设计规范
世界上很多国家都已制订了压力容器相关的疲劳设计规则。

最早出现的是在1965年美国机械工程师学会颁发的ASMEⅢ及ASMEⅧ-2,其设计基础是Langer 的研究成果。

该研究使用对象为光滑小试件,它们是利用多个母材制成的，疲劳试验的条件为：恒应变控制单轴向对称循环, 最终绘制出材料的疲劳失效平均寿命曲线, 与此同时，还考虑了缺口处可能出现的平均应力的最大值，利用平均应力会影响材料的疲劳失效寿命的因素，按Goodman关系对疲劳失效寿命曲线的影响进行了一定的修正, 循环次数与虚拟应力幅的安全系数分别取20和2, 设
计疲劳曲线取二者中的比较低的值。

对于设计疲劳曲线，其中循环次数N 取10~105次。

运用弹性分析对结构的应力强度进行设计,对局部不连续区，采用疲劳强度减弱系数的方法, 利用线性积累损伤原理和设计疲劳曲线, 进行相应的疲劳分析[6]。

这一方法在国际上有重大影响, 至今仍在使用着。

加拿大、瑞士、比利时等国明确规定压力容器疲劳设计直接采用了ASME规范，有的国家虽然有自己的压力容器疲劳设计规范，如瑞典的Tryckar Lanormer 标准，澳大利亚的AS1210标准，日本的JIS8259标准[7],但它们的实际内容均与ASME标准的均基本上一致[6]。

我国制定的JB4732-1995（2005年确认）（压力容器分析设计规范）中的疲劳分析的内容与ASME也是基本一致。

英国压力容器标准BS5500 附录C[8]疲劳分析虽然从方法上与美国ASME标准的方法相似,但仍然是有一些明显的区别的。

BS5500的设计疲劳曲线是在应变控制的对称循环疲劳试验下，对象为对接焊接接头用机械加工磨光制成光滑小试件,而非用母材制成的试件。

因为微观的缺陷不可避免的会存在与焊缝金属中,故英国标准BS5500试验最终所得到材料的疲劳失效寿命曲线会比ASME标准中相应的疲劳寿命曲线低。

欧盟压力容器规范EN13445: 2009《非受火焰加热压力容器》[9]中主要有两部分的内容与疲劳分析相关: 疲劳寿命的详细评定与简单评定。

疲劳寿命的详细评定方法是通用的方法，适用的范围十分广泛，但与此同时，该方法需要有详细的应力分析。

在欧盟的压力容器规范EN 13445中，有关疲劳寿命详细评定的最为主要特征是将焊接区域与非焊接区域区分开来了，而且它们的计算疲劳寿命的评定方法也不相同。

因为在该标准中，已经认为缺陷存在与焊接接头中，故采用“结构应力”来进行疲劳的评定。

仅仅沿壁厚线性分布的应力，如弯曲应力、剪切应力、薄膜应力属于结构应力，同时只对总体结构不连续的影响进行考虑。

对于母材，该标准评定的是的是节点总应力[10]。

1.3 现行的疲劳设计方法
目前，国内外现行的疲劳设计方法主要分为以下六类：
（1）名义应力疲劳设计法[1]
名义应力疲劳设计法的基本设计参数是名义应力，该方法以S-N曲线为它的主要的设计依据。

该设计法能够分成下面的两种方法：
①无限寿命设计法疲劳极限是主要的设计依据，也就是S-N曲线其中的水平部分，该方法要求零部件在无限长使用期限内不发生疲劳破坏。

②有限寿命设计法S-N曲线的斜线部分是该方法的主要的设计依据，条件是零部件在一定使用期限内不会发生疲劳破坏，这种方法也被称为安全寿命设计法。

(2)局部应力应变分析法
局部应力应变分析法是一种以低周疲劳为基础的疲劳寿命估算方法，应变集中处的局部应力和局部应变是其基本设计参数。

局部应力应变CSS法的三个基本方程如式（1-1）—式（1-3）所示[11]:
Coffin—manson CSL关系错误！未找到引用源。

（1-1）其中：错误！未找到引用源。

:循环应变幅，错误！未找到引用源。

：疲劳强度系数，错误！未找到引用源。

：疲劳强度指数，错误！未找到引用源。

：弹性模量，错误！未找到引用源。

：疲劳塑性系数，错误！未找到引用源。

：疲劳塑性指数，错误！未找到引用源。

：疲劳寿命
ramberg-osgood CSS关系错误！未找到引用源。

（1-2）
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：循环硬化指数，错误！未找到引用源。

:循环硬化系数，错误！未找到引用源。

:循环应变幅
Neuber准则错误！未找到引用源。

其中：错误！未找到引用源。

：名义应力幅，错误！未找到引用源。

:疲劳应力集中系数
虽然局部应力—应变分析方法是一种较好的疲劳裂纹萌生的估算方法，然而该方法并没有考虑到载荷的多轴性和应变梯度。

因此，De—Guang从微观的角度提出了两个参数，它们是用来考虑载荷的多轴特征及局部应力应变梯度。

应变强度参数：
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（1-3）应力强度参数：
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；（1-4）其中：错误！未找到引用源。

表示疲劳失效区域，错误！未找到引用源。

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容积，错误！未找到引用源。

，错误！未找到引用源。

分别为等效应变和应力作用，错误！未找到引用源。

：等效应力应变值对于峰值应力应变值的影响
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（1-5）其中：错误！未找到引用源。

为距错误！未找到引用源。

点距离错误！未找到引用源。

作用方向
（3）基于断裂力学的设计方法
该方法的基础是断裂力学理论，前提是假设材料中存在着初始缺陷，同时把该初始缺陷看作为裂纹，同时根据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质来进行剩余寿命的估算[12]。

裂纹扩展速率：
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（1-6）
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：应力强度因子幅，C,m：材料常数
应力强度因子:
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（1-7）
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：裂纹长度的一半，错误！未找到引用源。

：外加均匀拉伸应力。

剩余寿命值的估算：先确定临界裂纹尺寸错误！未找到引用源。

和初始的裂纹尺寸错误！未找到引用源。

交变应力幅下寿命值的估算：
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（1-8）
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：每个循环块扩展的速率，错误！未找到引用源。

：第错误！未找到引用源。

个载荷扩展的速率。

等应力幅下寿命值的估算：
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（1-9）（4）损伤力学疲劳模型
损伤微观理论模型方法，将多层次缺陷的几何结构引入了其中，细观的缺陷结构被引入了材料的宏观体元，并试图在宏观各力学响应与材料的细观结构的演
化之间建立相应的联系[13]。

非线性累积损伤模型多轴非比例加载与材料的各向异性使压力容器疲劳损伤为非线性损伤，但大部分的模型依然是依赖试验的数据。

例如，根据chaboche 的连续介质与延展性耗散理论Shang DG[14]等给出了一个单轴非线性的疲劳损伤公式。

单轴非线性的疲劳损伤公式：
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（1-10）其中：错误！未找到引用源。

、错误！未找到引用源。

均为材料的常数。

最小耗能原理的损伤模型材料的破坏往往是向着消耗能量最小的方向发展。

同时材料的屈服和破坏都需要消耗能量，然而对某一中材料单元来说，当使得该单元发生屈服、破坏的能量最终积蓄到一定值时，该材料单元才会发生屈服、破坏。

故引入了因损伤变量D( t )所引起的最终耗能率[15]。

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（1-11）
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为由错误！未找到引用源。

引起的不可逆应变率
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（1-12）
（5）数值化仿真模拟疲劳损伤模型
该方法利用离散事件仿真方法进行疲劳寿命分析，如果基于产生一个随机样本材料，该材料损伤累积在随机载荷下，不小于随机载荷谱的构成的整体失效的临界值，就判定无效[16~ 18]。

（6）疲劳可靠性设计法
该方法是疲劳设计方法与概率统计方法相互结合的产物，因此也被称为概率疲劳设计方法，该方法由于将载荷、材料疲劳性能以及其他疲劳设计数据分散性考虑到了其中，能够将破坏的概率最后限制在一定的范围中，故该方法设计精度在上述方法中最高[1]。

1.4 国内外压力容器的疲劳研究现状
近年来，随着压力容器疲劳失效事故的增加,各国都在压力容器疲劳相关方面进行了许多的研究工作。

相关研究主要集中在以下几个方面：循环变形与裂纹
萌生、疲劳极限以及疲劳设计、各种新材料的疲劳行为、带接管压力容器、超高压容器及极端工作环境对疲劳行为的影响等等。

从目前疲劳设计发展的方向来看, 一方面是基础理论的相关研究, 这些研究的主要目的是找出更为适合疲劳设计的有关理论基础, 从而能避免相互影响因素的干扰，最终较为准确的反映处材料的屈服到破坏连续的过程, 如最小耗能理论, 宏细微观理论[19], 等。

另一方面是在原有疲劳设计的基础上,不断积累试验的数据, 同时要将实际各种复杂条件考虑到其中, 如载荷模型的影响、结构间的相互影响、应力集中、各种应力状态下材料性能参数等, 从而能够使可靠性设计的应用和仿真模拟得以应用。

如在对非对称的多轴循环加载疲劳研究中，王雷等[20]根据裂纹萌生将多轴常幅的最大切应变与临界平面的概念扩大到了多轴随机载荷,并最终提出了权值平均最大切应变平面的概念。

而在疲劳影响因素量化方面，Dong[21]讨论了以S-N 曲线的焊缝分类为基础，可能导致一个单一通用的S-N曲线的可能性, 故对一种特殊的类型的节点应力，只需要带适当的几何或者结构应力集中因子。

有超高压设备和带接管压力容器是关于特殊结构的压力容器研究的较多的。

相关的国内外压力容器典型事故分析结果能够说明，压力容器的失效，大部分发生在容器和接管的相贯区[22]。

这是因为在容器上进行了开孔，并接上相应的接管以后，在开孔周围附近将会出现较大的应力集中现象，使得孔附近的应力值很高。

而且在交变载荷的作用下，应力幅将增大，此时开孔和接管对容器的疲劳寿命的影响就将更为明显。

近些年以来，有许多的学者从事了带接管的压力容器的研究工作。

王磊、田海晏、闰胜咎[26-27]对带有内伸式补强接管的内压圆柱壳体进行了有限元分析及相关的试验研究，得到了此补强结构的应力分布情况，并通过两种以上不同形式的补强接管结构的对比，明确地得到了接管的内伸长度对其补强结构的局部区域的应力分布几乎无影响的结论，同时也发现内伸式接管确实起到了相应的补强作用及降低开孔接管局部区域的应力的效果，从而提供了选择合适的补强方法的建议。

俞建荣、张卫义[23-25]等研究了内压作用下大开孔率的平齐式开孔接管的应力分布情况，从而最终得到了平齐式接管开孔区域的应力分布情况，也确定了接管的应力影响区域范围；陈罕、张卫义[28]等研究了大开孔率的内压筒体平齐式开孔接管结构，最终提出了一种基于有限元理论解析的应力集中系数估算公式，认
为接管的直径、筒体的厚度、接管的厚度及应力集中与筒体直径存在一定函数关系，它们之间会相互影响。

M. Giglio[29]分别对补强圈补强接管和整体补强接管的低周循环压力载荷下的疲劳特性进行了试验研究与有限元分析研究，研究结果表明，在使用相同材料情况下，上述两种结构的接管与壳体连接处的疲劳性能相近，由于补强圈补强接管制造方便、经济，因此，在对接管疲劳要求相同时，采用补强圈接管更佳。

超高压容器的筒体部分由于材料的屈强比较小、应力水平较高，导致超高压筒体的疲劳问题很突出。

超高压容器在三向受力状态下工作，在承受循环载荷的情况下，很多的研究学者认为疲劳强度由最大剪应力决定，故使用最大剪应力理论所获得的交变应力强度与循环次数关系作曲线图作为研究疲劳问题的主要方法。

但P.Terao，Y.Yamashita等人[30]在进行了相关的厚壁圆筒试验后，提出了不一样的观点，根据试验结果，他们认为：若用名义应力幅与疲劳破坏的总循环次数关系来作图，使用平均周向主应力会更加的符合实际。

若使用真实的应力来作图，当循环次数N<104次时，用最大剪应力会得到更接近实际的结果。

然而当N>104次时，使用最大主应力理论能得到更接近实际情况的结果。

因为循环加载次数在104次上、下会有明显的转折，故也有研究人员认为这两种情况下的断裂模型是不同的。

另外，在文献[32]中还介绍了经过了自增强处理后的厚壁容器的筒体能使得其疲劳强度提高的结论。

据相应的分析，在经过一定的自增强处理后，由于在筒体内壁有残余压力的作用，使得平均应力在循环载荷作用下下降了一部分，因此换算得到的应力幅也将相应的减少，最后使得设备内壁的疲劳强度得到了提高。

在弹性区域塑性区的分界面上，即使平均应力水平因为残余应力为拉应力而提高了，但是应力幅却相应的减少了一部分，所以其危险性并不会比内壁高。

然而，对于那种存在过大的残余应力的厚壁圆筒而言，不一定有具有相同的规律。

压力容器在极端环境下运行的情况越来越普遍,但相应的疲劳实验数据却相对缺乏。

浙江大学谬存坚[31]针对目前最为缺乏的应变强化深冷容器疲劳设计问题,自主搭建了深冷疲劳试验装置、研究,得到了应变强化前后材料疲劳应力响应、循环本构关系以及应变-寿命关系的变化规律,分析了深冷和应变强化对材料拉伸和疲劳性能的强化作用,以及两者对奥氏体不锈钢疲劳寿命的增益作用。

目前，有限元法在疲劳强度分析和疲劳寿命分析中发挥着越来越大的作用，
崔旭明等人[32]通过有限元法得到会造成油管局部应力、应变过高的外在因素，通过生产中避免外在因素的发生，从而减少油管疲劳破坏的发生。

还有很多学者利用有限元方法从裂纹的萌生和扩展开始研究，耿小亮等人[33]利用有限元方法对火焰筒掺混孔边的裂纹萌生进行了分析，认为在循环热载荷作用时，火焰筒筒壁上各点升温过程存在不一致性，引起结构中相互约束，导致掺混孔边产生循环苏醒变形，当循环次数约为1500次时，疲劳裂纹在此萌生。

屠立群等人[34]利用有限元方法研究了16MnR钢的疲劳裂纹扩展过程，并讨论了运用该方法计算疲劳裂纹扩展速率的可行性。

Singh V等人[35]利用有限元模拟了循环交变载荷下裂纹的扩展过程，并通过试验对模拟结果进行了验证。

1.5 论文主要研究内容与意义
1.5.1 论文主要研究内容
本文主要内容是对某工厂的夹套反应釜进行工程改造，并进行疲劳分析。

原夹套反应釜设备夹套和釜内为常压操作，改造后需要在反应器的夹套内通入压力0.4MPa蒸汽。

该设备是玫瑰花精油生产设备，生产工艺是间歇式运行，每4小时一个周期，每一周期经受釜内加料和卸料、夹套内加压加温和卸压降温的交变载荷。

该设备在寿命期内承受的交变载荷。

本文所研究的夹套反应釜为间歇操作疲劳设备，它要有足够的强度以保证在交变循环条件下能正常运行，还要保证一定的设计寿命。

本文开展了以下工作：（1）计算进行改造前夹套反应釜在承受工作载荷情况下的变形和应力大小及其分布，即对它们进行静力强度计算和结果分析。

（2）计算在加上筋板进行改造后的夹套反应釜在承受工作载荷情况下的变形和应力大小及其分布，即对它们进行静力强度计算和结果分析。

（3）分别运用有限元软件ANSYS和国内压力容器分析设计标准JB4732对改造后的壳体进行疲劳寿命分析，对比分析结果，得出该夹套反应釜的使用寿命，从而确保容器的正常运行。

1.5.2 论文的研究意义
压力容器疲劳失效的事故近些年来在不断地增加,给人们的生命和财产造成
了重大的损失。

本文以有限元法的思想为依据对工程实际应用中改造设计前后的夹套反应釜进行了详细地静力学分析,最终确定了改造设计后的夹套反应釜的疲劳寿命,同时也验证了该夹套反应釜进行改造设计后的合理性与可靠性,从而保证该夹套反应釜在有效的使用期限内不发生疲劳失效,为工程实际中的应用提供了一定的参考和依据,具有一定的工程实用价值。

2 夹套反应釜的改造设计与线弹性静力学分析
本论文对于夹套反应釜的改造设计的重点在于提出满足经济性、安全性的改造方案，并选取其中最合适的方案。

改造后的夹套反应釜的能否满足新的操作工况的要求则需要使用有限元方法进行计算与评定。

2.1 项目描述
改造设计一夹套内蒸汽压力0.4MPa加热的反应器。

原设备夹套和釜内为常压操作。

该设备是玫瑰花精油生产设备，生产工艺是间歇式运行，每4小时一个周期，每一周期经受釜内加料和卸料、夹套内加压加温和卸压降温的交变载荷。

该设备在寿命期内承受的交变载荷，已超越GB150规则设计范围，应按分析方法进行疲劳寿命设计。

本项目采用有限元方法进行疲劳寿命设计，为实际生产设备提供工作条件下的使用寿命预估，指导安全生产。

该夹套反应釜的结构简图如图2-1所示，具体尺寸见该设备装配图。