(大庆油田装备制造集团容器分公司容器二分厂 黑龙江省大庆市 163000)
摘要：常规的真空加热炉封头均采用常规设计，通常情况下应力应变均满足强度要求，本文主要考虑真空加热炉封头的结构特点，对真空加热炉筒体、封头和加强筋进行结构分析。
关键词：真空加热炉；设计；力学分析；失稳；强度；有限元
引言：研究的主要内容如下：
(I)根据加热炉设计执行标准 GBIS0-2011《压力容器》，对真空加热炉进行结构设计：
(2)考虑加热炉结构特点，建立真空加热炉三维整体有限元模型及封头局部有限元模型；
(3)利用有限元分析方法，对真空加热炉圆筒、封头和加强筋进行力学分析，得到筒体、封头应力分布情况。
(4)根据有限元分析结果，对真空加热炉圆筒、封头和加强筋结构设计方案评价，完成封头加强筋结构设计优选。
一、外压容器失稳及受压圆筒应力计算理论
1、外压容器失稳类型
外压容器是指壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。主要用在石油、化工生产中的外压操作，例如：石油分熘中的减压蒸馆塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应荼、真空干燥、真空结晶设备等。
外压容器失稳是指承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失稳。其实质是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳
整体失稳指压应力均布于全部周向或径向，失稳后整个容器被压瘪；局部失稳指压应力作用于某局部处，失稳后局部被压瘪或皱折，如容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。
2、外压容器失稳临界载荷
外压容器的失稳临界载荷是指壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力。当外压低于临界压力(p<pcr)时，压缩变形可以恢复；当外压等于临界压力(p=Per)时，壁内压缩应力和变形发生突变，变形不能恢复。壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应力称为临界压应力。
根据失稳情况将外压圆筒分为以下三类：
(1)长圆筒：当圆筒长度L与外径的比值L/Do较大，刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的扁圆形。
(2)短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数n>2, 出现三波、四波等的曲形波。
(3)刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即LI,仄较小，壁厚戊与队的比值elf/。较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。
3、受压圆筒的应力计算理论
设有圆环或圆筒，其内半径为a,外半径为b,受内压力qa及外压力qb作用，其应力分布是轴对称的。
4、平封头强度计算
平封头有两种类型，即简单的平封头和有加强结构的平封头。有多种方式对平封头进行加强，例如加强筋、拉撑杆、拉撑管、井字筋、斜拉撑等。
5、有限元计算
用有限单元法分析弹性薄壳，有两种途径：一是用薄板单元组成的折板系统替代原来的薄壳，有薄板的平面应力和弯曲应力状态组合得到薄壳的应力状态；二是直接采用曲面单元，根据壳体理论得到单元的刚度矩阵。
二、真空加热炉结构设计
根据油田用真空加热炉的工作状态，本文所研究的真空加热炉儿种工作状态分别是：
(1)停机状态：筒体受p=0.lMPa的外压作用，工作温度为20°C;
(2)水压实验状态：筒体受p=0.2MPa的内压作用，工作温度为20°C;
(3)操作状态：筒体受p=0.0lMPa的外压作用，工作温度为95.8°C;
真空加热炉圆筒的壁厚设计受外压容器的工作压力设计准则是小于其失稳临界载荷外压工况设计圆筒壁厚图算法思路：由已知条件（几何条件：LID0,I)。
戊／以及材质，设计温度）确定许用外压力[p]'判断计算压力是否满足水压实验校核壁厚：
第一强度理论（最大拉应力理论）
第二强度理论（最大伸长线应变理论）
第三强度理论及相应的强度条件
第四强度理论及相应的强度条件（形状改变比能理论）
1、真空加热炉封头的壁厚设计
平板封头是化工设备常用的一种封头。主要有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等不同形状。由于平板封头结构简单，制造方便，使其在压力不高，直径较小的容器及高压容器中都有使用。
对于相同R/o和负载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多。
由于真空加热炉在工作状态下受大气压作用，其受压较小，故容器的封头可采用平封头。
真空加热炉有限元模型及稳定性分析
2、真空加热炉有限元模型的建立
（1）真空加热炉整体模型的建立
采用SHELL181单元，建立真空加热炉的三维整体有限元模型
边界条件：在左支座处施加全约束，在右支座处施加UX,UY,ROTX,ROTY,ROTZ的约束。
（2）封头局部模型的建立
考虑到SHELL181单元在边界处载荷传递不好，从而使计算结果失真，故使用SOLID185单元建立前、后封头实体模型，并对其进行力学分析。取封头、加强筋和部分筒体为研究对象，圆筒外径为3428mm,圆筒厚度为14mm;封头直径3400mm,厚度为14mm,宽度为400mm,封头伸进圆筒50mm。采用SOLID185单元，建立真空加热炉 前、后封头的局部有限元模型，
边界条件：由整体模型计算得到的位移和力加到前后封头局部模型圆筒面和开口面上。
（3）内压圆筒应力分析算例 ＄．
圆筒内径3400mm,厚14mm,受0.2MPa内压作用，取1/4圆筒为研究对象，使用ANSYS建立内压圆筒有限元模型，在侧面边缘节点上加对称约束，下端节点上加轴向约束UZ,在单元上施加大小为0.2MPa的内压，对其进行求解，得出内压圆筒的计算应力分布情况。
（4）外压圆筒应力分析算例
圆筒内径3400mm,厚14mm,受大小为O.lMPa的外压作用，取1/4圆筒为研究对象，使用ANSYS建立外压圆筒有限元模型，在侧面边缘节点上加对称约束，下端节点上加轴向约束UZ,在单元上施加大小为O.lMPa的外压，对其进行求解，得出圆筒的计算应力分布情况
3、真空加热炉稳定性分析
采用真空加热炉的整体模型，运用ANSYS对真空加热炉进行失稳分析，得到失稳临界压力。
4、停机状态真空加热炉有限元分析
真空加热炉停机时，由于温度降低使内部蒸汽凝结，真空加热炉承受较大的外压，当外压超过临界压力时，真空加热炉就会失稳，破坏加热炉结构。
5、水压实验真空加热炉有限元分析
加热炉水压实验是指以水为介质，以高于加热炉工作的压力对加热炉各承压部件进 行的超压试验，其目的是检验加热炉受压部件的严密性和耐压强度。水是一种液体，具 有液体的各种特性，其可压缩性很小，受到压力作用时，便以大小相等的压力向各方面 传递，均匀地作用到各受压元件的各个部位。如果承压部件的某个部位有细小孔隙时， 水就会发生渗漏，某承压部件强度不够时，就会变形和损坏。根据水压实验时检查出来 部件缺陷的位置及缺陷的性质，可以采取相应措施进行处理，以消除运行中的隐患。当 然，由于水压实验是在冷态下进行时，不能安全检查出加热炉在热态工作时可能存在和 出现的问题，因此对于加热炉不允许以试验压力来确定加热炉的实际工作压力。
结语：本文采用理论分析和有限元数值方法，对真空加热炉进行了力学分析和结构设计，对真空加热炉开展了力学分析及结构设计。但是限于时间和能力，还没有从材料、结构、加工工艺、传 热效率等方面，对加热炉进行全面的优化设计，这些工作有待进一步研究。
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