多接管標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭應(yīng)力分析與安全評定*

王利新,李治國,楊 剛,李 斐

(蘭州蘭石集團換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730314)

多接管標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭應(yīng)力分析與安全評定*

王利新,李治國,楊 剛,李 斐

(蘭州蘭石集團換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730314)

通過有限元方法對含多接管的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭進行應(yīng)力分析與安全評定,發(fā)現(xiàn)開孔結(jié)構(gòu)造成封頭頂部承載區(qū)域減小,同時開孔結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成了頂部應(yīng)力增大,在封頭頂部接管包圍區(qū)域的應(yīng)力值較不開孔封頭結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力增大了1.6倍;隨著開孔直徑的增大,兩接管的距離減小,從而造成兩接管產(chǎn)生干涉效應(yīng),對結(jié)構(gòu)的整體性安全性產(chǎn)生影響;最后對多接管橢圓形封頭進行安全評定。

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭;接管;內(nèi)壓;應(yīng)力;有限元

0 引 言

橢圓形封頭力學(xué)性能僅次于半球形封頭,制造方便,綜合性能突出,被廣泛應(yīng)用于中低壓容器。由于工藝需要,常需在封頭上進行開孔接管以滿足工藝需要,開孔勢必造成殼體剩余承載區(qū)域的減小,削弱封頭的結(jié)構(gòu)強度[1];開孔接管邊緣處必然產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中;開孔結(jié)構(gòu)造成封頭結(jié)構(gòu)的不連續(xù)產(chǎn)生不連續(xù)效應(yīng);接管與接管之間,接管與封頭邊界隨開孔的增大,接管與接管,接管與封頭邊界距離的減小,從而造成兩個邊界產(chǎn)生邊界效應(yīng)的相互干涉[2]。

出于對多接管標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭安全性考慮,需對橢圓形封頭進行必要的應(yīng)力分析與安全評定[3]。

1 有限元模型

1.1 計算模型

如圖1所示為模型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

以帶有三個接管的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭(EHA 1600× 16)結(jié)構(gòu)作為研究對象,接管N1,N2,N3中心軸線距橢圓形封頭回轉(zhuǎn)軸線350 mm,接管N1規(guī)格為Φ530× 14,接管N2規(guī)格為Φ219×8,接管N3規(guī)格為Φ426× 12,封頭材質(zhì)為Q345R,接管材質(zhì)為20鋼;設(shè)計壓力為1 MPa,設(shè)計溫度185℃。Q345R彈性模量E= 207.0 GPa,泊松比ν=0.3,屈服強度σs=316 MPa。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ABAQUS進行有限元分析,對模型進行實體分割,對接管與封頭連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位采用六面體占優(yōu)單元進行劃分,并對相關(guān)區(qū)域進行必要細化,其余部分采用結(jié)構(gòu)化六面體劃分,共可生成129 901個單元。

1.3 載荷與邊界條件

在封頭的底部壁面施加完全約束,防止封頭發(fā)生移動;對接管N2,N3端面施加約束,沿接管端面法線自由度不約束。對封頭與接管內(nèi)表面施加均布內(nèi)壓載荷,計算載荷為設(shè)計壓力,N1端面施加沿法線方向的拉應(yīng)力,大小為0.986 MPa。

2 有限元模擬結(jié)果分析

2.1 封頭應(yīng)力分布

圖2為封頭應(yīng)力分布云圖,從圖中可看到,最大應(yīng)力為118 MPa,出現(xiàn)于封頭內(nèi)表面接管與封頭相貫區(qū)域且位于接管N2與接管N1距離最短處[4]。

圖2 應(yīng)力分布云圖

將本文接管模型與未開孔標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計算結(jié)果進行對比分析,圖3為橢圓形封頭內(nèi)表面沿母線應(yīng)力變化曲線,圖4為橢圓形封頭外表面沿母線應(yīng)力變化曲線,從圖3,4可以發(fā)現(xiàn),在封頭頂部接管包圍區(qū)域的應(yīng)力值較不開孔封頭結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力增大了1.6倍。開孔結(jié)構(gòu)造成封頭頂部承載區(qū)域減小,同時開孔結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成了頂部應(yīng)力增大。隨著母線距開孔區(qū)域距離增大,邊緣效應(yīng)的自限性發(fā)生作用,應(yīng)力減小,并同未開孔封頭應(yīng)力趨于一致,在靠近封頭曲邊與封頭直邊處,應(yīng)力發(fā)生突變增大,這是由于總體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)而導(dǎo)致連接邊緣的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應(yīng)力升高現(xiàn)象。在封頭約束端由于載荷的不連續(xù),造成應(yīng)力的再次升高。

圖3 橢圓形封頭內(nèi)表面沿母線應(yīng)力變化曲線

圖4 橢圓形封頭外表面沿母線應(yīng)力變化曲線

2.2 封頭相鄰接管干涉效應(yīng)分析

隨著開孔直徑的增大,兩接管的距離減小,從而造成兩接管產(chǎn)生干涉效應(yīng),對結(jié)構(gòu)的整體性安全性產(chǎn)生影響。從圖2可發(fā)現(xiàn),各接管高應(yīng)力點出現(xiàn)在與孔距離最短處。圖5為接管N1與N3沿C-C路徑的應(yīng)力分布曲線,可以發(fā)現(xiàn)在靠近N1接管處應(yīng)力最大,為110.098 MPa,隨著遠離接管N1的距離增大,邊緣效應(yīng)的自限性發(fā)生作用,應(yīng)力逐漸減小,當(dāng)距離N1為138.166 mm時應(yīng)力變化趨于平直,隨著距接管N3的距離減小,應(yīng)力逐漸增大,在靠近接管N3處應(yīng)力達到最大。從圖中不難發(fā)現(xiàn),開孔較大的接管N1處的應(yīng)力要比開孔較小的N3處應(yīng)力大,這是由于接管軸線距封頭回轉(zhuǎn)軸線距離相同,開孔較大的接管N1邊緣更接近封頭頂點;N1處的開孔較大,邊緣效應(yīng)比N1更加顯著。

2.3 接管相貫線應(yīng)力分布

圖6為接管N1相貫線應(yīng)力分布曲線,內(nèi)側(cè)相貫線比外側(cè)相貫線具有更高的壓力;從圖中可發(fā)現(xiàn),接管相貫線應(yīng)力分布有明顯的兩個波峰,應(yīng)力值分別為118.197 MPa和107.118 MPa,兩個波峰出現(xiàn)的位置位于距接管N2,N3距離最短處,封頭相鄰開孔結(jié)構(gòu)造成各孔產(chǎn)生干涉效應(yīng),對接管應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。

圖5 C-C路徑的應(yīng)力分布曲線

圖6 接管N1相貫線應(yīng)力分布曲線

2.4 安全評定

分析設(shè)計中先對容器的危險點進行詳細的應(yīng)力分析,根據(jù)各種應(yīng)力產(chǎn)生的的原因?qū)?yīng)力進行分類,再根據(jù)各類應(yīng)力對容器的危害的差異性采用不同的設(shè)計準(zhǔn)則加以限制[5]。文中模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)于接管N2內(nèi)表面相貫線處,對接管N2繪制如圖7的路徑并進行應(yīng)力線性化得出評定接管見表1。

圖7 應(yīng)力線性化路徑圖

表1 封頭接管處應(yīng)力處理線評定結(jié)果 /MPa

運用分析設(shè)計方法進行應(yīng)力分析與評定,結(jié)果表明,該危險部位應(yīng)力強度均滿足分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力評定原則并具有較大的余量,可進行進一步的優(yōu)化設(shè)計以達到最好的結(jié)構(gòu)形式。

3 結(jié) 論

經(jīng)過對多接管標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析以及安全評定,該受壓橢圓形封頭及接管在給定結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計工況的條件下,其強度滿足相應(yīng)要求。從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中可得出如下結(jié)論。

(1)由于開孔結(jié)構(gòu)造成封頭頂部承載區(qū)域減小,同時開孔結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成了頂部應(yīng)力增大,封頭頂部接管包圍區(qū)域的應(yīng)力值較不開孔封頭結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力增大了1.6倍。

(2)開孔邊緣應(yīng)力具有自限性,但隨開孔直徑的增大,影響區(qū)域增大。

(3)隨著開孔直徑的增大,兩接管的距離減小,從而造成兩接管產(chǎn)生干涉效應(yīng),對結(jié)構(gòu)的整體性安全性產(chǎn)生影響。接管與封頭相貫處應(yīng)力分布受相鄰接管開孔的影響顯著,距離較近處應(yīng)力增大明顯。

[1]徐 巖,鄭洪濤,梁海東,等.橢圓形封頭大開孔結(jié)構(gòu)強度分析[J].熱能動力工程,2007,22(4):404-408.

[2]郭崇志,陳文昕,紀(jì)昌盛.具有大開孔接管結(jié)構(gòu)的橢圓封頭邊界效應(yīng)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,34(4):106-110.

[3]張 薇.帶有接管的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及評定[J].油氣地面工程,2008,27(7):11-12.

[4]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[5]鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

Stress Analysis and Safety Assessment of a Standard Ellipsoidal Head w ith Several Nozzles

WANG Li-xin,LIZhi-guo,YANG Gang,LI Fei
(Lanzhou LSHeat Exchange Equipment Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

The stress analysis and safety assessmentof a standard ellipsoidal head with several nozzles are studied through the finite elementmethod.It is found that the stress value at the top of the head is increased by 1.6 times than thatwith no nozzle when the bearing area on the top of the head is reduced;With the increase of the hole diameter,the distance between nozzles is decreasing,thus it is resulted in interferential effect and influence on the structure of the overall safety.The safety assessment of themulti-nozzle elliptical head is carried out in the end.

standard ellipsoidal head;nozzles;internal pressure;force;finite element analysis

TE980

A

1007-4414(2015)06-0081-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.029

2015-08-21

王利新(1988-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士,主要從事?lián)Q熱器設(shè)計方面的工作。