壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

秦富友，杜四宏

（1．河南省化工壓力容器檢測(cè)中心站，河南 鄭州 450000;2．中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

秦富友1，杜四宏2

（1．河南省化工壓力容器檢測(cè)中心站，河南 鄭州 450000;2．中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

通過(guò)Ansys對(duì)壓力容器開孔接管區(qū)進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，得到了其受力特性和應(yīng)力分布規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

壓力容器;接管;有限元分析;強(qiáng)度評(píng)定

在核工業(yè)、石油化工、輕工、電廠、化學(xué)化工、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的壓力容器，由于各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，常常需要在其上開孔并安裝接管。不斷出現(xiàn)的一些接管破壞導(dǎo)致容器失效的事故，引起了工程和科學(xué)研究人員的廣泛重視[1～2]。由于幾何形狀及尺寸的突變，受內(nèi)壓殼體與接管連接處附近的局部范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力，引起開孔附近區(qū)域應(yīng)力集中，在容器上造成局部高應(yīng)力，從而嚴(yán)重影響容器的整體承載能力，該部位很有可能成為設(shè)備的破壞源，因此對(duì)開孔接管部位做詳細(xì)的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定是確保壓力容器安全運(yùn)行必不可少的內(nèi)容。

容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，這是因?yàn)橐环矫骈_孔破壞了殼體材料的連續(xù)性，削弱了原有的承載面積，在開孔邊緣附近必定會(huì)造成應(yīng)力集中;另一方面接管的存在使開孔接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，殼體與接管在內(nèi)壓作用下自由變形不一致，在變形協(xié)調(diào)過(guò)程中將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。同時(shí)，接管與殼體是通過(guò)焊縫連接在一起的，焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸如焊縫高度、過(guò)渡圓角等會(huì)造成局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，形成局部不連續(xù)應(yīng)力。因此，對(duì)這類應(yīng)力的求解是相當(dāng)復(fù)雜的，工程上常采用應(yīng)力集中系數(shù)法、數(shù)值解法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試法和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算局部應(yīng)力[3]。應(yīng)力數(shù)值計(jì)算的方法比較多，如差分法、變分法、有限單元法和邊界元法等。近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的支持下發(fā)展起來(lái)的有限元分析 （FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）方法則為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。

有限單元法的基本思路是將連續(xù)體離散為有限個(gè)單元的組合體，以單元節(jié)點(diǎn)的參量為基本未知量，單元內(nèi)的相應(yīng)參量用單元節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值插值，將一個(gè)連續(xù)體的無(wú)限自由度問題變?yōu)橛邢拮杂啥鹊膯栴}，再利用整體分析求出未知量。顯然，隨著單元數(shù)量的增加，解的近似程度將不斷改進(jìn)，如單元滿足收斂要求，近似解也最終收斂于精確解。ANSYS軟件是集機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程等一般工業(yè)和科學(xué)結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天的研究。ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器，在合理的邊界條件下可獲得問題的精確求解。

為了揭示壓力容器開孔接管區(qū)的受力特性和應(yīng)力分布規(guī)律，本文建立了壓力容器開孔接管的有限元分析模型，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析計(jì)算和應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。工程實(shí)踐表明，其分析過(guò)程和計(jì)算結(jié)果可為試驗(yàn)和生產(chǎn)提供參考和依據(jù)。

1 模型的有限元分析

1．1 問題描述

壓力容器筒體內(nèi)徑 Di＝2000mm， 壁厚 tc＝30mm，接管外徑 do＝530mm，壁厚 tn＝15mm，壓力容器與接管的材料為16MnR。接管內(nèi)伸長(zhǎng)度Li＝195mm，外側(cè)過(guò)渡圓角r1＝30mm，內(nèi)側(cè)過(guò)渡圓角r2＝15mm;內(nèi)壓 p＝1．2MPa。 材料彈性模量 E＝2．0×105MPa，泊松比 μ＝0．3。 圓柱殼開孔接管的幾何尺寸如圖1所示。

1．2 網(wǎng)格劃分

由于僅考慮內(nèi)壓作用下容器接管處的應(yīng)力狀況，為此有限元分析模型可利用該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性（模型在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，同時(shí)載荷也是對(duì)稱的）取開孔接管區(qū)的1／4建模。根據(jù)圣維南原理，筒體長(zhǎng)度及接管外伸長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于各自的邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，因此，本文取圓柱殼長(zhǎng)度L＝4000mm，接管外伸長(zhǎng)度l＝500mm。由于接管與筒體相貫區(qū)附近有較高的應(yīng)力集中，為保證其計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分時(shí)此區(qū)域的單元尺寸應(yīng)盡可能小一些，網(wǎng)格應(yīng)密集一些。在遠(yuǎn)離相貫區(qū)處，網(wǎng)格可以適當(dāng)加大以減小計(jì)算量。為了使開孔接管處的網(wǎng)格比較密集，本文在單元尺寸控制上采用了指定線上的單元分割方式，選擇了8節(jié)點(diǎn)SOLID45的實(shí)體單元（即Bick 8Node 45）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

1．3 邊界條件

由于結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱的，載荷也是軸對(duì)稱的，因此可將模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問題。其對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，接管端部約束軸向位移，施加完位移約束條件的有限元模型如圖3所示。壓力容器筒體內(nèi)表面和接管內(nèi)表面承受內(nèi)壓P，接管內(nèi)伸部分的外表面也承受內(nèi)壓P，筒體端面施加軸向平衡面載荷Pc，并按如下公式進(jìn)行計(jì)算:

將1．1中的數(shù)據(jù)代入上面的公式可得:

2 計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度評(píng)定

受內(nèi)壓筒體與接管區(qū)的Tresca應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖中可以清楚地看出，最大應(yīng)力發(fā)生在筒體與接管的連接區(qū)，達(dá)到274．22MPa?？梢姡搀w與接管的連接區(qū)域是容器最容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的部分，這與上面的論述相一致，也與工程實(shí)際相吻合。

我國(guó)的JB 4732-1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]要求對(duì)計(jì)算部分的應(yīng)力做詳細(xì)的計(jì)算，按應(yīng)力的性質(zhì)、影響范圍及分布狀況將應(yīng)力分類為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，對(duì)于不同性質(zhì)的應(yīng)力給予不同的限制條件。應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)定方法可分為點(diǎn)處理法和線處理法，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)還可以采用面處理法[5]。本文采用線處理法，即將容器危險(xiǎn)截面上各應(yīng)力分量沿應(yīng)力分布線進(jìn)行均勻化和線性化處理，并將得到沿應(yīng)力分布線的平均應(yīng)力（薄膜應(yīng)力）、線性應(yīng)力（彎曲應(yīng)力）和應(yīng)力的非線性部分，再根據(jù)應(yīng)力對(duì)容器失效所起作用的大小分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力，并計(jì)算出不同應(yīng)力類型及其組合的應(yīng)力強(qiáng)度，要求相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)各自許用值[6]。各應(yīng)力強(qiáng)度的限制條件如下:

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm:

Pm≤1．0 Smt＝143．5

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pl

Pl≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（3）一次薄膜應(yīng)力（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm＋Pb:

Pm＋Pb≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（4）一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度 Pm＋Q:

SⅣ≤3Smt＝3×143．5＝430．5 MPa

（5）峰值應(yīng)力強(qiáng)度:

SⅤ≤2Sa＝2×138＝276 MPa

根據(jù)應(yīng)力處理線的劃定原則，針對(duì)受內(nèi)壓的筒體和接管連接區(qū)在應(yīng)力強(qiáng)度最大處劃出一條應(yīng)力處理線，如圖5中直線所示（虛線為筒體與接管變形前的形狀，實(shí)線為筒體與接管變形后的形狀）。按照?qǐng)D5選取的應(yīng)力評(píng)定線進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表1。筒體與接管連接的區(qū)域能滿足強(qiáng)度要求。筒體與接管連接的區(qū)域是容器中的應(yīng)力高強(qiáng)度區(qū)，也是容器最容易出現(xiàn)破壞的地方，因此在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中應(yīng)保證該處的尺寸。另外，幾何形狀或尺寸的突然改變是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因之一，因此，在筒體與接管連接處應(yīng)盡量采用圓弧或經(jīng)形狀優(yōu)化的特殊曲線過(guò)渡以減少該處出的應(yīng)力。

表1 筒體接管處的應(yīng)力處理線評(píng)定結(jié)果

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的有限單元法分析計(jì)算，該受內(nèi)壓筒體及接管在給定的結(jié)構(gòu)尺寸和操作工況條件下，其強(qiáng)度滿足相應(yīng)要求。分析過(guò)程和計(jì)算結(jié)果可為試驗(yàn)和生產(chǎn)提供參考和依據(jù)。

[1] 薛明德．國(guó)外關(guān)于圓柱殼開孔接管問題的研究概況[J]．壓力容器．1991，8 （2）:4-9．

[2] 王志文．接管高應(yīng)變區(qū)的二維模擬及失效評(píng)定曲線研究[J]．壓力容器．1996，13（4）:21-25．

[3] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001．82．

[4]JB 4732-95，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[5] 賀匡國(guó)．壓力容器分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995．26．

[6] 鄭津洋，等．基于整體有限元應(yīng)力分析的齒嚙式快開壓力容器設(shè)計(jì)[J]．壓力容器，2003，20（7）:22．

Stress Strength Evaluation for Opening Tubing Connection on Pressure Vessel

QINFu-you1，DUSi-hong2
（1．Chemical Pressure Vessel Inspection Center of Henan Province Station，Zhengzhou 450000，China;2．China Nuclear Power Engineering Co．， Ltd．， Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450052， China）

To opening tubing connection on a pressure vessel，finite element analysis was used on the basis of Ansys， drawing its stress characteristics．With regard to dangerous section， the strength assessment was carried out．

pressure vessel; opening tubing connection; finite element analysis; strength assessment

TH 49

A

1671-9905（2011）07-0052-03

秦富友，男，河南省鄭州市東明路北17號(hào)，河南省化工壓力容器檢測(cè)中心站，主要從事鍋爐和壓力容器的檢測(cè)以及力學(xué)分析，13633829625

2011-04-29