橢圓封頭中心接管在內(nèi)壓及彎矩作用下的應(yīng)力分析

李 程，王茂廷，龔 雪，呂 明

（遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

為了滿足操作工藝的要求，化工容器必不可免的要在容器的筒體或是封頭上開孔并連接接管，這對容器殼體的應(yīng)力分布與強度都有顯著的影響。由于封頭上開孔并連接結(jié)果，削弱了封頭的強度，破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使得封頭和接管連接區(qū)域必將存在復(fù)雜的應(yīng)力，使該部位成為容器強度、剛度和穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)，引起了工程設(shè)計人員的高度關(guān)注。在化工容器設(shè)計中,對開孔接管問題。一方面是研究開孔接管處的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力集中程度;另一方面是研究接管連接部位的加強結(jié)構(gòu)，以便在強度上使容器殼體因開孔受到的削弱得到合理的補強。在壓力容器中，除了內(nèi)壓之外，往往還承受著諸如彎矩，扭矩等復(fù)雜載荷條件，在這方面的計算報告較少，使得工程人員在設(shè)計傳遞復(fù)雜附加載荷的橢圓封頭中心接管結(jié)構(gòu)時，缺少計算方法和可能借鑒的設(shè)計案例［1,2］。

本文將通過以某壓力容器上的橢圓封頭中心接管為例，研究其在內(nèi)壓及接管彎矩作用下的應(yīng)力分析。

1 結(jié)構(gòu)及尺寸

所研究的設(shè)備主要是由封頭以及中心接管組成的，筒體的連接方式為焊接結(jié)構(gòu)。

假設(shè)法蘭接頭結(jié)構(gòu)中各個元件的材料均為線彈性材料，其材料屬性參數(shù)參見表1-3。

表1 設(shè)備的主要尺寸Table 1 The main dimensions of the equipment

表2 設(shè)備的材料屬性Table 2 The material properties of the equipment

表3 設(shè)備的設(shè)計數(shù)據(jù)Table 3 The design data of the equipment

2 有限元分析模型

2.1 實體模型

橢圓封頭中心開孔接管結(jié)構(gòu)具有集合對稱軸的特點，但是由存在接管彎矩，載荷是非軸對稱的，因此有限元計算不能采用抽對稱模型。只能采用1/4或是1/2模型，而本模型僅考慮了接管力中的彎矩，所以采用1/2模型進行有限元計算。實體模型如圖1所示。

圖1 橢圓封頭中心開孔接管1/2模型Fig.1 Elliptical head center open hole over 1/2 model

2.2 網(wǎng)格劃分

筒體、接管和封頭均采用的是Solid186單元，由于選用1/2模型進行分析，因此為了得到比較理想的網(wǎng)格劃分，故對接管和筒體進行手動限制單元大小，之后使用掃掠的方式對封頭部分進行整體掃掠。共劃分單元 26 331個，節(jié)點4 621個。，網(wǎng)格剖分及加載情況見圖2［3］。

圖2 橢圓封頭中心開孔接管網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of elliptical head with center nozzle

2.3 載荷與邊界條件

模型兩側(cè)需要施加對稱約束；

筒體底端要約束Y方向位移；

容器內(nèi)壓力為0.2 MPa；

接管端部彎矩1 000 000 N·mm；

接管端部軸向平衡面載荷3.89 MPa［4］。

3 橢圓封頭中心開孔接管結(jié)果分析

由圖3應(yīng)力強度分析圖所示，可以看出施加0.2 MPa內(nèi)壓值后的變形及應(yīng)力分布情況。在途中可以看出整個系統(tǒng)中應(yīng)力強度最大的地方是接管與封頭連接處，該處的應(yīng)力強度值為107 MPa［5］。

4 強度評定

由圖3應(yīng)力強度分析圖所示，可以看出最大應(yīng)力強度發(fā)生在接管根部的內(nèi)壁，貫穿接管的內(nèi)外壁取應(yīng)力評定處理線，利用ANSYS的線性化處理程序進行處理，可得到該處理線上的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及薄膜、彎曲應(yīng)力強度［6］。

根據(jù) JB4732-1995，封頭接管分布在外部載荷或力矩，或內(nèi)壓作用下，其薄膜應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力，故該結(jié)構(gòu)可進行應(yīng)力評定如下：

PL=58.34 MPa<1.5 Sm(169.5 MPa)

PL+Pb+Q=103.6<3 Sm(339 MPa)

因此，結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

圖3 橢圓封頭中心開孔接管結(jié)果分析Fig.3 Elliptical head center open hole over the results analysis

5 結(jié) 論

（1）開孔接管的應(yīng)力分析是個頗為復(fù)雜的問題,而在工程實際上又是個現(xiàn)實而重要的問題。由于結(jié)構(gòu)的特殊性, 容器殼體上的一些特殊方位的接管結(jié)構(gòu), 是很難得到滿意的解析的, 而利用ANSYS接觸分析不失為一種有效、可靠的方法。

（2）橢圓封頭水平切向接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的顯著特點之一是, 不僅在接管和封頭殼體連接的相貫線上出現(xiàn)較大的應(yīng)力強度, 而且在連接處接管壁上也出現(xiàn)較大的應(yīng)力強度。

（3）根據(jù)連接部位的應(yīng)力分布特點, 確定封頭殼體和接管同時加強的結(jié)構(gòu)合理可行。

［1］ 張薇.帶有接管的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及評定[G].大慶油田工程有限公司:油氣田地面工程,27(7).

［2］ 淡勇，李俊菀，李會強.橢圓封頭水平接管部位應(yīng)力分析和加強效果研究[J].化工機械，2009，36(6): 570-574.

［3］ 余偉煒，高炳軍，等．ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．

［4］ 薛明德, 孔合堂, 田麗珊. 球殼開孔接管的分析設(shè)計方法及其實驗驗證[J]. 壓力容器, 1989, 6( 1): 34-42.

［5］ 淡勇，陳志良，李俊菀.復(fù)雜載荷作用下的橢圓封頭-接管連接加強結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2009，30（6）:27-31.

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