吕庭光，左安达

（1. 空气化工产品技术开发（北京）有限公司，北京 100022；2. 惠生工程（中国）有限公司，上海 201210 ）

近年来石油化工以及煤化工行业的发展，装置大型化、精细化[1]趋势不断加强。而球形封头在所有封头中具有承载能力最高，在相同设计条件中所需厚度最小，耗材最少的优点。这对节省装置的投资是十分有利的。但是由于球形封头的受力特点，其厚度通常是与其连接的筒体厚度的一半。这样在连接二者之间就必须设计过渡段。GB/T 150 上推荐了几种不同的连接结构。由于结构的不连续，为满足变形协调，连接处的应力集中往往很高。因此合理的连接结构设计对改善应力集中状况就十分重要，而很多学者和工程师也都在进行这方面的研究[2-6]。显而易见，不同筒体与球形封头的连接结构势必会有不同的受力情况，那么就必然存在一个或者若干个最优解。为得到这些最优解，就可以对结构进行优化分析设计。而ANSYS Workbench 里的参数化设计和优化分析模块可以很好地解决这类问题。

1 有限元分析

1.1 创建有限元模型

某丙烯精馏塔筒体与上球形封头连接处的结构如图1 所示，设计压力P=2.31 MPa，设计温度t= 90 ℃，材质为碳钢，腐蚀裕量3 mm。筒体内半径R1= 3 650 mm，球形封头的内半径暂定R2= 3 650 mm。筒体与封头的材料选Q345R，设计温度下许用应力强度Sm=181 MPa，弹性模量E=1.975×105MPa，泊松比μ=0.3。筒体与上球形封头的保温材料为玻璃棉毡，厚度60 mm。查GB/T 13350 得玻璃棉的导热系数为0.049 W/ （m·K），查GB/T 151 得Q345R 的导热系数51.8W/ （m·K）。本文以下只计算设计工况，由以上参数，根据GB/T 150 计算得筒体厚度δ1=49 mm，球形封头厚度δ2=25 mm。……