導(dǎo)語(yǔ)：壓力容器筒體切向接管強(qiáng)度計(jì)算研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:壓力容器筒體設(shè)置切向接管，會(huì)破壞原有的應(yīng)力分布，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域產(chǎn)生高應(yīng)力，對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成危險(xiǎn)。本文先對(duì)切向接管強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行討論，再利用ANSYSWORKBENCH軟件對(duì)筒體切向接管進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和應(yīng)力線性化處理，為今后的工程設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:切向接管;強(qiáng)度計(jì)算;應(yīng)力線性化;應(yīng)力集中

壓力容器設(shè)備在石油化工、核工業(yè)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(shè)備上開(kāi)一定數(shù)量的孔。在開(kāi)孔接管處，設(shè)備連續(xù)性和整體性遭到破壞，由于應(yīng)力集中，形成了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，嚴(yán)重削弱了設(shè)備的承載能力，若不進(jìn)行安全可靠的設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成隱患。國(guó)內(nèi)外對(duì)接管的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了大量研究，形成了較為成熟的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。但切向接管因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和不對(duì)稱性，較小的接管都有可能形成大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)切向接管強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定都不夠詳細(xì)和具體，壓力面積法、等面積法、極限壓力法等方法對(duì)切向接管的計(jì)算都存在一定的局限性，曲文海、郝蘭忠等人［1－2］依據(jù)現(xiàn)有常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了自己的設(shè)計(jì)方法，但計(jì)算模型假設(shè)太多，結(jié)果不夠精確，國(guó)外只有原西德的鍋爐規(guī)范(TRD)中有切向接管強(qiáng)度計(jì)算方法，結(jié)果過(guò)于保守。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，切向接管的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題得到了很好地解決。本文將簡(jiǎn)單對(duì)比以上幾種計(jì)算方法，采用有限元法對(duì)切向接管區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力分析，并按JB/T4732－1995的規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，為切向開(kāi)孔接管的工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

1切向接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法的對(duì)比

1．1等面積法

等面積法是以補(bǔ)償開(kāi)孔局部截面強(qiáng)度拉伸作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的，只涉及靜力強(qiáng)度問(wèn)題，其對(duì)開(kāi)孔邊緣二次應(yīng)力的安定性問(wèn)題是通過(guò)限制開(kāi)孔長(zhǎng)短徑之比(不大于2．0)和開(kāi)孔率決定的［3］。通常，切向接管在圓筒體處的開(kāi)孔長(zhǎng)短徑之比遠(yuǎn)超過(guò)2.0，因此不能應(yīng)用于切向接管的強(qiáng)度計(jì)算。并且對(duì)于需要疲勞分析的設(shè)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(kāi)孔有效強(qiáng)度范圍內(nèi)的金屬截面積(包括殼體、補(bǔ)強(qiáng)材料、接管等)的承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡為準(zhǔn)則的計(jì)算方法，不考慮彎曲應(yīng)力的影響，但適用范圍和殼體的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度和等面積法存在差別，也不能適用于疲勞分析設(shè)備。另外特別需要說(shuō)明，在我國(guó)，壓力面積法尚不能作為合法的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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(shù)值時(shí)，材料呈現(xiàn)屈服流動(dòng)狀態(tài)并不斷擴(kuò)展。此時(shí)的載荷即為極限載荷。極限載荷法考慮了應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不連續(xù)，分析結(jié)果比較符合實(shí)際的情況［4］，但國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未給出該方法合法的設(shè)計(jì)流程，更多的是把該方法用來(lái)校核應(yīng)力線性化的一次應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定［5］。

1．4有限元分析設(shè)計(jì)法

利用三維軟件對(duì)設(shè)備切向接管建模，分析求解模型的精確應(yīng)力分布，考慮彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力的影響，基于JB/T4732－1995第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，按照應(yīng)力的性質(zhì)、影響范圍及分布狀況就行應(yīng)力分類，對(duì)不同類型的應(yīng)力給予不同的限制條件，并在制造檢驗(yàn)中規(guī)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(shè)備，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，目前已被國(guó)內(nèi)外工程界廣泛認(rèn)可。對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)方法不能適用的切向接管強(qiáng)度計(jì)算，有限元分析設(shè)計(jì)法可以很好的解決。

2切向接管的開(kāi)孔有限元分析設(shè)計(jì)

2．1接管結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)

高壓排放罐筒體DN2200×18mm，兩個(gè)切向接管尺寸分別為DN150鍛管(外徑194mm，內(nèi)徑146mm)和DN100鍛管(外徑145mm，內(nèi)徑97mm)，設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為2MPa，設(shè)計(jì)溫度為200～－45℃，筒體材料為09MnNiDR，鍛管材料為09MnNiDIII，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=150MPa。本設(shè)備在同一高度上設(shè)置兩個(gè)切向接管，很多文獻(xiàn)研究中［6］將每個(gè)接管各自建模，雖然兩接管距離超過(guò)了應(yīng)力衰減范圍，單獨(dú)建模分析對(duì)結(jié)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(lián)合建模，保證計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

2．2計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)繪圖軟件放樣，設(shè)備兩接管開(kāi)孔處的長(zhǎng)短徑比均超過(guò)2．0，因此不能用常規(guī)的等面積法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算?，F(xiàn)利用有限元分析法計(jì)算，保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，模型中接管和殼體的均應(yīng)大于應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性特征，建立1/2三維模型，在本例中筒體長(zhǎng)度長(zhǎng)度選取1000mm，切向接管按實(shí)際長(zhǎng)度建模，建模厚度扣去了材料負(fù)偏差和腐蝕裕量。如圖1所示。

2．3網(wǎng)格劃分

由于結(jié)構(gòu)高度不連續(xù)，合理切割計(jì)算模型從而獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，利用ANSYSWORKBENCH提供的20節(jié)點(diǎn)二次單元Solid186單元［7－8］，將接管與筒體連接處易產(chǎn)生集中應(yīng)力處的網(wǎng)格加密，主體筒體沿壁厚方向劃分4等分。局部網(wǎng)格模型圖如圖2所示。a．DN100接管局部網(wǎng)格圖;b．DN150接管局部網(wǎng)格。

2．4邊界條件

在模型的對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，筒體端部施加位移約束，保證模型不會(huì)發(fā)生剛性移動(dòng)。模型所有內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)壓力2MPa，接管端部和筒體端部分別施加相應(yīng)的等效軸向拉應(yīng)力。

2．5計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)力分布云圖如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，切向接管與筒體連接處的內(nèi)外壁面處都存在較大的應(yīng)力，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，DN150接管最大應(yīng)力強(qiáng)度為219．05MPa，DN100接管最大應(yīng)力強(qiáng)度為229．18MPa。兩接管的最大應(yīng)力點(diǎn)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(qū)。遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)開(kāi)孔處，其應(yīng)力值變化不大，為總體薄膜應(yīng)力。圖3結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布云應(yīng)根據(jù)JB/T4732－1995設(shè)置多條應(yīng)力線性化路徑，為了節(jié)約篇幅本文只介紹最危險(xiǎn)的應(yīng)力路徑。該路徑通過(guò)最大應(yīng)力值點(diǎn)并沿著壁厚方向進(jìn)行應(yīng)力線性化，具體路徑如圖4所示。

2．6強(qiáng)度評(píng)定

按JB/T4732－1995相關(guān)要求進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。對(duì)于DN100鍛管，一次局部薄膜應(yīng)力PL=94．014MPa，按照標(biāo)準(zhǔn)一次局部薄膜應(yīng)力許用極限為1．5Sm=225MPa，滿足要求;薄膜加彎曲應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度為163．27MPa，由于此處的彎曲應(yīng)力包含了一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的成分，較難區(qū)分，為了保守設(shè)計(jì)，均作為一次彎曲應(yīng)力，因此PL+Pb=163．27＜1．5Sm=225MPa，滿足要求。對(duì)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(xiǎn)應(yīng)力路徑核算后也符合強(qiáng)度要求，因篇幅有限不做累述。由上述分析可知，計(jì)算條件下的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)能滿足JB/T4732－1995應(yīng)力線性化要求，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。

3結(jié)論及展望

通過(guò)上文的分析，可得到以下結(jié)論:(1)很多工藝工程中，必須設(shè)置切向接管，公稱直徑很小的接管都有可能造成長(zhǎng)短徑比大于2．0，現(xiàn)有的常規(guī)方法無(wú)法適用，可通過(guò)ANSYSWORKBENCH軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算模型接近實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果精確可靠。(2)本模型的兩個(gè)切向接管最大應(yīng)力均出現(xiàn)在接管與筒體結(jié)構(gòu)突變處，特別是接管與設(shè)備相交銳角處(具體參照?qǐng)D4路徑處)，此處結(jié)構(gòu)不連續(xù)且模型厚度突變梯度較大，此外，接管與筒體相交處的內(nèi)壁面圓角處應(yīng)力值也比較大，這些區(qū)域均易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)出的區(qū)域應(yīng)力變化平緩，計(jì)算結(jié)果符合相關(guān)理論。(3)采用應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的設(shè)備在設(shè)計(jì)需滿足相應(yīng)的焊接結(jié)構(gòu)，制造過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)要求也比常規(guī)設(shè)計(jì)的設(shè)備要求嚴(yán)苛［9］。為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行，相關(guān)方應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)要求。(4)現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中，很多設(shè)備都需要疲勞分析，常規(guī)設(shè)計(jì)同樣不適用。若有需要，可在本文所述的強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)JB/T4732－1995附錄C中［10］的疲勞分析步驟依次進(jìn)行，從而保證設(shè)備及裝置在生產(chǎn)過(guò)程中的安全。

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作者：應(yīng)超 單位：中石化寧波工程有限公司