容器管嘴在CAESARII中的建模方法比較分析

蘇紅霞

（液化空氣 （杭州）有限公司，浙江 杭州 311112）

0 引言

管道系統(tǒng)受到由重力、壓力等產(chǎn)生的持久性載荷，由風(fēng)、地震、冰雪、閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的反沖力和壓力升高引起的臨時(shí)性載荷，以及由溫差、風(fēng)力引起的端點(diǎn)位移、摩擦力所產(chǎn)生的交變性載荷［1］。這些載荷將作用于連接在管道上的容器管嘴上，引起容器壁彎曲等變形以及局部應(yīng)力集中。當(dāng)管道對(duì)其作用力過(guò)大時(shí)，會(huì)造成設(shè)備變形和局部應(yīng)力過(guò)大，以及連接法蘭的泄漏［2］，導(dǎo)致失效。通常采用WRC107/297、PD5500或有限元分析法FEA來(lái)進(jìn)行局部應(yīng)力分析以確保局部連接處在設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全可靠。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)其允許受力做了規(guī)定，ASME VIII DIV.2清楚詳細(xì)地提供了管口和容器上的許用應(yīng)力規(guī)定，同時(shí)在JB4732［3］中也提出了對(duì)于管口和容器上的許用應(yīng)力的要求。為了評(píng)估管口和容器連接處的應(yīng)力，需要得到管道系統(tǒng)加載在管嘴處的載荷。運(yùn)用管道應(yīng)力分析軟件CAESARII可以模擬容器和管道系統(tǒng)，并得到容器管嘴處的載荷。但是，在CAESARII中采用不同的管嘴建模方法，將會(huì)得到不同的載荷計(jì)算結(jié)果，而這些結(jié)果將直接影響管路的布置以及容器自身設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。因此選擇一種合理有效的管嘴建模方法，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估容器和管口連接處的應(yīng)力有重要的意義。

本文以一實(shí)際運(yùn)行情況良好、與低溫壓力管道相連接的容器為例，綜合運(yùn)用應(yīng)力分析軟件CAESARII和有限元分析軟件NozzlePro對(duì)管道加載在容器管嘴上的載荷進(jìn)行分析研究，比較在CAESARII中的幾種不同的管嘴建模方法對(duì)于容器管嘴載荷的影響，從而找出CAESARII中合理有效的管嘴建模方法。

1 管道及容器的設(shè)計(jì)參數(shù)

管路和容器的布置圖見(jiàn)圖1，以管口a作為研究對(duì)象。管口a和所在容器的外形尺寸（外徑×壁厚）分別為Φ1 016×10，Φ2 362×6；管口所連接主管道尺寸為Φ1 016×7；容器和管口的材料為SA-240 304，許用應(yīng)力值為137.9MPa；管路的材料為A312TP304L，許用應(yīng)力值為115.1MPa。管路和容器運(yùn)行時(shí)的最高操作溫度為－105℃，設(shè)計(jì)壓力為0.18MPa。

圖1 管路和容器布置圖

在進(jìn)行容器設(shè)計(jì)時(shí)，通常首先是不考慮外部管道加載在容器上的載荷的，僅需要根據(jù)容器壓力、溫度、材料、介質(zhì)等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)容器的外形尺寸。在不考慮外部載荷時(shí)，此管道所連接的容器開(kāi)孔處的主應(yīng)力為許用應(yīng)力的53%＜1，二次應(yīng)力為許用應(yīng)力的39%＜1，完全符合標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.3的要求，詳見(jiàn)表1。

表1中：PL為一次局部薄膜應(yīng)力，MPa；Pb為一次彎曲應(yīng)力，MPa；Q為二次應(yīng)力。

但是外部管道加在容器上的載荷是確實(shí)存在的，為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行，必須校核容器能否承受這些載荷。

表1 不考慮外部載荷時(shí)容器開(kāi)孔處局部應(yīng)力校核結(jié)果

2 容器管嘴剛度對(duì)載荷的影響分析

在CAESARII中模擬管口和容器時(shí)，其連接形式可以模擬為剛性連接，也可對(duì)連接處的剛度進(jìn)行計(jì)算后加到模型中；在計(jì)算連接處的剛度時(shí)可以采用WRC297報(bào)告所述的方法，也可采用有限元分析方法。這3種模擬方法將會(huì)得到不同的管口載荷，對(duì)容器和管路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同的影響。下面就每種模擬方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到最為合理有效的模擬方法。

2.1 容器與管嘴剛性連接

在CAESARII中將容器與管嘴的連接處模擬為剛性連接，容器管嘴a處的載荷見(jiàn)表2，將其導(dǎo)入有限元分析軟件NozzlePro中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，容器開(kāi)孔處主應(yīng)力為許用應(yīng)力的55%＜1，二次應(yīng)力為許用應(yīng)力的194%＞1，二次應(yīng)力超過(guò)ASME規(guī)定的許用應(yīng)力的要求。

表2 容器管嘴a處載荷（剛性連接）

表3 容器開(kāi)孔處局部應(yīng)力校核結(jié)果（剛性連接）

根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，需要采取增加容器壁厚，或者在開(kāi)孔處焊接補(bǔ)強(qiáng)圈，或者改變管路的布置及支架的位置等方法，以降低容器開(kāi)孔處的局部應(yīng)力，使其符合ASME的要求。這些降低局部應(yīng)力的方法都會(huì)帶來(lái)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損耗。

2.2 容器與管嘴按WRC297柔性連接

在CAESARII中將容器與管嘴的連接處模擬為柔性連接，CAESARII會(huì)自動(dòng)按照WRC297的要求計(jì)算此處的剛度，得到軸向剛度為1.75×1011N/mm，縱向彎曲剛度為1.13×1014N·mm/（°），環(huán)向彎曲剛度為4.36×107N·mm/（°），扭轉(zhuǎn)剛度為無(wú)窮大，其中環(huán)向彎曲剛度相對(duì)于剛性連接有很大的降低。容器管嘴a處的載荷見(jiàn)表4，對(duì)比表2，可見(jiàn)載荷My有顯著的減少，這與環(huán)向剛度的減少有直接的關(guān)系。將這些載荷導(dǎo)入有限元分析軟件NozzlePro中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，容器開(kāi)孔處的主應(yīng)力為許用應(yīng)力的75%＜1，二次應(yīng)力為許用應(yīng)力的145%＞1，二次應(yīng)力仍超過(guò)ASME規(guī)定的許用應(yīng)力要求，但是下降了49%。此計(jì)算結(jié)果表明，仍需對(duì)管路或容器進(jìn)行相應(yīng)的修改，才能達(dá)到ASME的要求。

2.3 容器與管嘴按FEA柔性連接

在CAESARII中將容器與管嘴的連接處模擬為柔性連接，但是剛度值不采用WRC297的計(jì)算結(jié)果，而采用由有限元分析法FEA計(jì)算得到的數(shù)值，軸向剛度為1.75×104N/mm，縱向彎曲剛度為2.86×108N·mm/（°），環(huán)向彎曲剛度為2.46×107N·mm/（°），扭轉(zhuǎn)剛度為6.33×109N·mm/（°），對(duì)比由WRC297計(jì)算所得的剛度，可見(jiàn)由FEA計(jì)算所得剛度值均有減少，其中軸向剛度、縱向彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度有明顯的降低，環(huán)向彎曲剛度的減小幅度相對(duì)比較小。對(duì)此管路系統(tǒng)進(jìn)行分析，容器管嘴a處的載荷見(jiàn)表6，對(duì)比表4，可見(jiàn)除Fz外，其他5個(gè)載荷都有非常大的減少，尤其是Fy，Mz的減少是非常明顯的，這與剛度值的減小有直接的關(guān)系。將這些載荷導(dǎo)入有限元分析軟件NozzlePro中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，容器開(kāi)孔處的主應(yīng)力為許用應(yīng)力的53%＜1，二次應(yīng)力為許用應(yīng)力的45%＜1，完全滿(mǎn)足ASME規(guī)定的許用應(yīng)力要求。此計(jì)算結(jié)果表明，不需要對(duì)管路和容器進(jìn)行修改，就可以達(dá)到ASME的要求，容器管嘴在考慮外載時(shí)是安全的。

表4 容器管嘴a處載荷（WRC297柔性連接）

表5 容器開(kāi)孔處局部應(yīng)力校核結(jié)果（WRC297柔性連接）

表6 容器管嘴a處載荷（FEA柔性連接）

表7 容器開(kāi)孔處局部應(yīng)力校核結(jié)果（FEA柔性連接）

2.4 容器管嘴剛度對(duì)載荷的影響分析結(jié)果

對(duì)此安全運(yùn)行的容器和管路系統(tǒng)在CAESARII中分別采用上述3種容器管嘴的建模方式，對(duì)容器開(kāi)孔處進(jìn)行應(yīng)力分析，得到的計(jì)算結(jié)果表明：采用剛性連接，得到的載荷數(shù)值是非常保守的，超出了ASME的要求，若以此作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，需要調(diào)整管路走向和容器的設(shè)計(jì)參數(shù)等，才能確保容器和管路能夠安全運(yùn)行，這樣就偏離了實(shí)際的情況，會(huì)造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)；若采用WRC297所得到的剛度值進(jìn)行計(jì)算，在某些方向上的載荷有較大的減少，但是其他方向的載荷仍然是非常保守的，超出了ASME的要求，偏離了實(shí)際，以此計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)，仍需要修改管路布置和容器參數(shù)等；若采用有限元分析方法得到的剛度值進(jìn)行計(jì)算，大部分方向的載荷都會(huì)有顯著的減少，符合ASME的要求，容器和管路是可以安全運(yùn)行的，這是符合實(shí)際情況的。

因此，在CAESARII中模擬管嘴時(shí)，采用有限元分析法FEA計(jì)算所得的剛度模擬時(shí)，管嘴載荷最接近實(shí)際情況，能夠得到比較可信的計(jì)算結(jié)果，是3種管嘴模擬方法中最為合理有效的模擬方法，其計(jì)算結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

3 結(jié)論

根據(jù)上述的分析比較，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮外部載荷對(duì)容器的影響時(shí)，可以采用下面的分析過(guò)程和方法。首先將容器的管嘴進(jìn)行剛性連接，檢查管嘴載荷是否能夠符合ASME的要求，若是能夠滿(mǎn)足，則容器可以安全運(yùn)行；若超出ASME的要求，需要再運(yùn)用其他模擬方法進(jìn)行檢查。在容器和管路的幾何尺寸符合WRC297的使用條件時(shí)，則先采用按照WRC297計(jì)算得到的剛度進(jìn)行建模計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果符合ASME的要求，設(shè)備可以安全運(yùn)行；若是超過(guò)了ASME的要求，則需采用有限元分析法FEA計(jì)算得到的剛度再次進(jìn)行建模分析，若此時(shí)載荷符合ASME的要求，則設(shè)備可以安全運(yùn)行，若此時(shí)載荷不符合ASME的要求，則需要對(duì)管路布置以及容器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，使其滿(mǎn)足ASME的要求。按照這樣的分析方法和步驟，可以增加CAESARII建模的準(zhǔn)確性和可靠性，得到合理的容器和管路設(shè)計(jì)方案。

［1］全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站，中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.GB/T20801.3－2006壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道第3部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007：38-39.

［2］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2003.

［3］全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732－1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：新華出版社，2007：12-21.