壓力容器筒體切向接管強度計算研究

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摘要:壓力容器筒體設置切向接管，會破壞原有的應力分布，在結構不連續區域產生高應力，對設備運行造成危險。本文先對切向接管強度計算方法進行討論，再利用ANSYSWORKBENCH軟件對筒體切向接管進行強度計算和應力線性化處理，為今后的工程設計提供一定的指導意義。

關鍵詞:切向接管;強度計算;應力線性化;應力集中

壓力容器設備在石油化工、核工業和軍工中具有重要的地位和作用。為了滿足工藝流程和檢維修的需要，需在設備上開一定數量的孔。在開孔接管處，設備連續性和整體性遭到破壞，由于應力集中，形成了復雜的應力狀態，嚴重削弱了設備的承載能力，若不進行安全可靠的設計，會對設備的安全運行造成隱患。國內外對接管的強度計算進行了大量研究，形成了較為成熟的理論基礎和計算方法。但切向接管因為其結構的不規則性和不對稱性，較小的接管都有可能形成大開孔結構。目前國內的設計規范對切向接管強度計算規定都不夠詳細和具體，壓力面積法、等面積法、極限壓力法等方法對切向接管的計算都存在一定的局限性，曲文海、郝蘭忠等人［1－2］依據現有常規計算方法進行改進，提出了自己的設計方法，但計算模型假設太多，結果不夠精確，國外只有原西德的鍋爐規范(TRD)中有切向接管強度計算方法，結果過于保守。隨著有限元技術的發展，切向接管的強度計算問題得到了很好地解決。本文將簡單對比以上幾種計算方法，采用有限元法對切向接管區域進行應力分析，并按JB/T4732－1995的規定進行應力分析和強度評定，為切向開孔接管的工程設計提供一定的借鑒意義。

1切向接管開孔補強計算方法的對比

1．1等面積法

等面積法是以補償開孔局部截面強度拉伸作為補強準則的，只涉及靜力強度問題，其對開孔邊緣二次應力的安定性問題是通過限制開孔長短徑之比(不大于2．0)和開孔率決定的［3］。通常，切向接管在圓筒體處的開孔長短徑之比遠超過2.0，因此不能應用于切向接管的強度計算。并且對于需要疲勞分析的設備，等面積法也不適用。

1．2壓力面積法

壓力面積法與等面積法都是基于靜力平衡，即以開孔有效強度范圍內的金屬截面積(包括殼體、補強材料、接管等)的承載能力與內壓力載荷相平衡為準則的計算方法，不考慮彎曲應力的影響，但適用范圍和殼體的有效補強寬度和等面積法存在差別，也不能適用于疲勞分析設備。另外特別需要說明，在我國，壓力面積法尚不能作為合法的設計依據。

1．3極限載荷分析法

極限載荷法采用的是塑性失效模式，假定材料為理想彈塑性，隨著載荷的的線性增加，最初材料呈線彈性變形，直到載荷增大到某一數值時，材料呈現屈服流動狀態并不斷擴展。此時的載荷即為極限載荷。極限載荷法考慮了應力集中和結構不連續，分析結果比較符合實際的情況［4］，但國內相關標準尚未給出該方法合法的設計流程，更多的是把該方法用來校核應力線性化的一次應力強度評定［5］。

1．4有限元分析設計法

利用三維軟件對設備切向接管建模，分析求解模型的精確應力分布，考慮彎曲應力和峰值應力的影響，基于JB/T4732－1995第三強度理論進行強度評定，按照應力的性質、影響范圍及分布狀況就行應力分類，對不同類型的應力給予不同的限制條件，并在制造檢驗中規定特定要求。該方法適用范圍廣，局限性小，適用于疲勞分析設備，結果準確可靠，目前已被國內外工程界廣泛認可。對于常規設計方法不能適用的切向接管強度計算，有限元分析設計法可以很好的解決。

2切向接管的開孔有限元分析設計

2．1接管結構與設計參數

高壓排放罐筒體DN2200×18mm，兩個切向接管尺寸分別為DN150鍛管(外徑194mm，內徑146mm)和DN100鍛管(外徑145mm，內徑97mm)，設備設計壓力為2MPa，設計溫度為200～－45℃，筒體材料為09MnNiDR，鍛管材料為09MnNiDIII，根據標準，在設計溫度下，材料的彈性模量E=1．96×106MPa，泊松比μ=0．3，密度7850kg/m3，設計應力強度Sm=150MPa。本設備在同一高度上設置兩個切向接管，很多文獻研究中［6］將每個接管各自建模，雖然兩接管距離超過了應力衰減范圍，單獨建模分析對結果影響不大，但考慮到模型的完整性和避免多次建模，本文將兩接管聯合建模，保證計算結果更符合實際情況。

2．2計算模型

經過繪圖軟件放樣，設備兩接管開孔處的長短徑比均超過2．0，因此不能用常規的等面積法進行強度計算?，F利用有限元分析法計算，保證計算模型的準確性，模型中接管和殼體的均應大于應力衰減長度，根據結構的對稱性特征，建立1/2三維模型，在本例中筒體長度長度選取1000mm，切向接管按實際長度建模，建模厚度扣去了材料負偏差和腐蝕裕量。如圖1所示。

2．3網格劃分

由于結構高度不連續，合理切割計算模型從而獲得高質量的網格，利用ANSYSWORKBENCH提供的20節點二次單元Solid186單元［7－8］，將接管與筒體連接處易產生集中應力處的網格加密，主體筒體沿壁厚方向劃分4等分。局部網格模型圖如圖2所示。a．DN100接管局部網格圖;b．DN150接管局部網格。

2．4邊界條件

在模型的對稱面施加對稱約束，筒體端部施加位移約束，保證模型不會發生剛性移動。模型所有內表面施加設計壓力2MPa，接管端部和筒體端部分別施加相應的等效軸向拉應力。

2．5計算結果分析

應力分布云圖如圖3所示。從圖中可以發現，切向接管與筒體連接處的內外壁面處都存在較大的應力，出現了明顯的應力集中現象，DN150接管最大應力強度為219．05MPa，DN100接管最大應力強度為229．18MPa。兩接管的最大應力點均位于接管與筒體連接處的銳角面外邊緣，即接管至筒體厚度最大衰減區。遠離結構開孔處，其應力值變化不大，為總體薄膜應力。圖3結構應力強度分布云應根據JB/T4732－1995設置多條應力線性化路徑，為了節約篇幅本文只介紹最危險的應力路徑。該路徑通過最大應力值點并沿著壁厚方向進行應力線性化，具體路徑如圖4所示。

2．6強度評定

按JB/T4732－1995相關要求進行應力強度評定。對于DN100鍛管，一次局部薄膜應力PL=94．014MPa，按照標準一次局部薄膜應力許用極限為1．5Sm=225MPa，滿足要求;薄膜加彎曲應力應力強度為163．27MPa，由于此處的彎曲應力包含了一次應力和二次應力的成分，較難區分，為了保守設計，均作為一次彎曲應力，因此PL+Pb=163．27＜1．5Sm=225MPa，滿足要求。對于DN150鍛管，PL=86．809MPa＜1．5Sm，PL+Pb=175.08＜1．5Sm=225MPa，也滿足要求。其他危險應力路徑核算后也符合強度要求，因篇幅有限不做累述。由上述分析可知，計算條件下的開孔結構能滿足JB/T4732－1995應力線性化要求，開孔結構強度安全。

3結論及展望

通過上文的分析，可得到以下結論:(1)很多工藝工程中，必須設置切向接管，公稱直徑很小的接管都有可能造成長短徑比大于2．0，現有的常規方法無法適用，可通過ANSYSWORKBENCH軟件進行應力分析，計算模型接近實際情況，計算結果精確可靠。(2)本模型的兩個切向接管最大應力均出現在接管與筒體結構突變處，特別是接管與設備相交銳角處(具體參照圖4路徑處)，此處結構不連續且模型厚度突變梯度較大，此外，接管與筒體相交處的內壁面圓角處應力值也比較大，這些區域均易產生應力集中現象，而遠離結構不連續出的區域應力變化平緩，計算結果符合相關理論。(3)采用應力分析設計的設備在設計需滿足相應的焊接結構，制造過程中的無損檢測要求也比常規設計的設備要求嚴苛［9］。為了保證設備的安全運行，相關方應該嚴格執行相應要求。(4)現在工程設計中，很多設備都需要疲勞分析，常規設計同樣不適用。若有需要，可在本文所述的強度設計的基礎上，依據JB/T4732－1995附錄C中［10］的疲勞分析步驟依次進行，從而保證設備及裝置在生產過程中的安全。

參考文獻

［1］曲文海．圓筒形壓力容器上切向接管開孔補強計算［J］．化工設備設計，1993，5(1):16－19．

［2］仲躋華，郝蘭忠．淺談筒體切向接管開孔補強常規設計［J］．化工設備設計，1993，6(2):16－19．

［3］李世玉．壓力容器設計工程師培訓教程［M］．北京:新華出版社，2005．

［4］潘武．關于容器大開孔斜接管計算方法的討論［J］．山東化工，2019，48(11):59－61．

［5］萬里平，黃勇力．彈性極限載荷分析法在圓筒接管開孔強度分析上的應用［J］，石油化工設備技術，2014，35(2):11－13．

［6］左安達，張文杰，郭曉嵐．基于子模型技術的壓力容器切向接管應力分析［J］．化工設備與管道，2017，54(2):1－7．

［7］楊星辰，張雅琴，段成紅．壓力容器應力分析單元選擇的探討［J］．化工設備與管道，2016，53(1):1－6．

［8］常平江，李霽，秦書經．單元選擇對有限元分析結果的影響［J］．化工設備與管道，2015，52(3):7－13．

［9］全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會．壓力容器:GB150－2011［S］．北京:中國標準出版社，2012．

［10］全國壓力容器標準化技術委員會．鋼制壓力容器分析設計:JB/T4732－1995［S］．北京:學苑出版社，2005．

作者：應超 單位：中石化寧波工程有限公司