催化裂化、甲醇制烯烃和煤气化等装置中许多核心和关键设备都是衬里设备,这些设备金属壳体内壁或金属内件表面普遍敷设隔热或耐磨衬里。衬里材料的损伤和失效是引起衬里设备故障和衬里装置停工的主要原因。目前,国内外对衬里设备的研究侧重于金属部件的计算,对衬里材料的设计和使用还停留在经验分析的阶段。因此,对衬里设备进行科学、合理的模拟计算和量化研究是十分必要的。本文提出了衬里材料热力学研究、应力计算和失效评定的思路,建立了衬里材料的本构关系方程。建立了带锚固钉和不带锚固钉两种形式的衬里-金属复合模型,计算了两种模型中衬里材料和金属材料的温度分布和应力分布,得出不带锚固钉的衬里-金属复合模型中衬里材料导热系数1.07倍、弹性模量1.26倍、线胀系数1.42倍和泊松比1.19倍的修正方法。建立和进行了小型热态实验,得出了不带锚固钉的衬里-金属复合模型中衬里材料导热系数的修正系数是1.06倍,验证了数值模拟的准确性。提出了衬里材料的“弹性计算、脆性评定”的拉压不对称失效评定准则。采用弹性模型和BKIN双线性随动强化模型配合使用的“两步法”,计算了衬里材料在热应力和机械应力耦合条件下的应力状况,并进行衬里材料的强度评定和失效分析。计算和分析了不同设计压力、衬里导热系数、衬里厚度和金属厚度情况下衬里材料的应力分布,研究得到了不同设计参数对衬里材料破坏的影响规律。针对带衬里的内集气室结构,对衬里材料和金属材料进行了温度场和应力场的计算和分析,确定了金属材料的高应力区,对金属构件关键位置和苛刻路径进行强度评定,计算和研究了衬里不同破坏范围和不同失效程度对金属材料温度和应力的影响规律。对内集气室结构的6个设计变量进行基于设备变形和应力的优化分析,得到了内集气室结构和尺寸的优化设计方案。采用直接抽样法和拉丁超立方法对优化方案进行敏感度分析,得到关键设计参数对可靠性的影响规律。依据规范ASME-Ⅷ-2中的疲劳分析方法,对内集气室分别进行热和机械疲劳分析,得到在循环载荷下的疲劳寿命及影响因素。计算和研究了衬里部分损坏后设备疲劳寿命的变化规律。本论文的研究成果为衬里设备的强度评定、疲劳分析等提供了一整套方法和准则,为今后更加科学和量化的设计衬里结构、提高衬里设备的安全可靠性提供了有益的指导和参考。