不銹鋼氫化罐頂部應(yīng)力強度分析與評定

陳小洪

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州213164）

0 引言

與其他化工設(shè)備類似，氫化罐結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性影響著設(shè)備的生產(chǎn)效率、安全可靠運行的周期，因而設(shè)計和檢驗人員特別關(guān)注設(shè)備的強度問題，以保證其安全可靠性[1]。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的日漸優(yōu)化，除了理論強度計算，ANSYS仿真分析在化工設(shè)備結(jié)構(gòu)強度的分析上獲得了較為成功的應(yīng)用[2]。范欣等對高壓空氣儲罐ANSYS疲勞分析，得出應(yīng)力強度分布，由計算所得的疲勞累計使用系數(shù)驗證設(shè)備啊安全性[3]。俞然剛等將ANSYS仿真計算與理論計算進(jìn)行比較，兩者較為一致，驗證了模擬分析的可靠性[4]。華平等通過對大型球罐的有限元仿真，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中最大部位處于支柱與罐焊接位置[5]。對于不銹鋼氫化罐頂部人孔及機(jī)架凸緣局部結(jié)構(gòu)，文章采用ANSYS分析軟件，分析該位置處在承受載荷后的應(yīng)力分布情況，驗證該不銹鋼氫化罐結(jié)構(gòu)形式的合理性，所得的結(jié)果為此不銹鋼氫化罐的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的依據(jù)。

1 不銹鋼氫化罐結(jié)構(gòu)

某工程應(yīng)用的不銹鋼氫化罐的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個氫化罐為圓筒狀，上下為常用的橢圓形封頭。頂部橢圓封頭上設(shè)置有攪拌凸緣和機(jī)架凸緣，以保證氫化罐筒體與機(jī)架的連接。設(shè)計時整體結(jié)構(gòu)按照GB/T150-2011《壓力容器》等一系列現(xiàn)行法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)設(shè)計，由于頂部人孔及機(jī)架凸緣局部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，開孔尺寸等超出了上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，常規(guī)設(shè)計無法完成相關(guān)計算。工程上一般根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，施加一個較高的安全系數(shù)，采取加大開孔部位的厚度等方法完成相關(guān)設(shè)計，但沒有可靠的校核方法來保證設(shè)備安全。文章采用大型有限元計算軟件ANSYS，對該不銹鋼氫化罐頂部人孔及機(jī)架凸緣局部結(jié)構(gòu)部位，在內(nèi)筒最高允許工作壓力等危險工況下的進(jìn)行應(yīng)力分析及評定，確保設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。按照相關(guān)規(guī)定，應(yīng)力評定方法參照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，其局部結(jié)構(gòu)處相關(guān)材料的許用應(yīng)力仍按GB/T150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定選取。該氫化罐設(shè)計壓力為1.0 MPa，最高允許工作壓力為1.1 MPa，設(shè)計溫度為150℃，有限元分析時按照最危險工況施加壓力載荷。相關(guān)材料特性如表1所示。

圖1 不銹鋼氫化罐主體結(jié)構(gòu)

表1 材料特性

2 有限元分析

2.1 模型建立

根據(jù)此不銹鋼氫化罐的結(jié)構(gòu)特點，考慮模擬仿真所需耗時，將原結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化建模仿真。所建立的模型僅僅考慮設(shè)備中是人孔接管、機(jī)架凸緣，以及與人孔接管相連接的封頭和筒體，而剩余的其它局部結(jié)構(gòu)特征均忽略。由于此不銹鋼氫化罐為對稱結(jié)構(gòu)，可僅模擬分析此不銹鋼氫化罐的一半結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有的板殼理論研究：當(dāng)離開不連續(xù)處的距離（即圓筒的長度）超過其中R為圓筒半徑，δ為圓筒壁厚）時，邊緣應(yīng)力的影響可以忽略不計。在實際計算時，一般取圓筒的長度不小于因而這里建模取筒體長度的一半進(jìn)行分析。

2.2 網(wǎng)格劃分

對所建立的不銹鋼氫化罐三維模型進(jìn)行節(jié)點數(shù)較多的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，這樣可以真實反映人孔接管在壓力載荷作用下的應(yīng)力特征。仿真計算采用實體單元，選用8節(jié)點六面體單元solid 45，最終的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.3 邊界條件及載荷

對筒體內(nèi)表面均布內(nèi)壓作用，內(nèi)壓采用最高工作壓力1.1 MPa施加；人孔接管的端部施加相應(yīng)的軸向平衡面載荷；在筒體下端面施加相應(yīng)的軸向位移約束，在對稱面施加對稱約束，為防止容器整體的軸向剛體位移，施加X方向相應(yīng)的位移約束，具體見圖3所示。

圖3 邊界條件與載荷示意圖

2.4 有限元分析結(jié)果

對所建立的不銹鋼氫化罐三維模型進(jìn)行ANSYS有限元分析，其總體應(yīng)力強度分布云圖分布情況如圖4所示。其中人孔接管應(yīng)力強度分布云圖、凸緣應(yīng)力強度分布云圖、筒體及封頭應(yīng)力強度分布云圖依次如圖5、圖6、圖7所示。仔細(xì)觀察應(yīng)力最大的人孔接管應(yīng)力強度分布云圖，其中應(yīng)力強度的最大值出現(xiàn)在圖中人孔接管與封頭的連接處（圖中MX標(biāo)示處），最大值為327.034 MPa，由于該處的幾何突變的存在，其應(yīng)力屬于含峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值可以放大3倍，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域也是安全的。而機(jī)架凸緣上應(yīng)力值比較小，小于材料的許用應(yīng)力，因此，完全滿足強度要求。

圖4 總體應(yīng)力強度分布云圖

圖5 人孔接管應(yīng)力強度分布云圖

圖6 凸緣應(yīng)力強度分布云圖

圖7 筒體及封頭應(yīng)力強度分布云圖

3 應(yīng)力強度評定

按照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，強度校核采用最大切應(yīng)力理論，應(yīng)力強度規(guī)定為最大切應(yīng)力的二倍，即

式中，S12＝ σ1- σ2，S23＝ σ2- σ3，S31＝ σ3- σ1，S為應(yīng)力強度，σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

一次總體薄膜應(yīng)力強度SⅠ應(yīng)不超過設(shè)計應(yīng)力強度值 KSm，即：

一次局部薄膜應(yīng)力強度SⅡ許用值為1.5KSm，即

一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強度SⅢ的許用值為 1.5 KSm，即

一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力的應(yīng)力強度SⅣ的許用值為3Sm，即

式中K為載荷組合系數(shù)，對于本分析，K=1；Sm為材料在設(shè)計溫度下的設(shè)計應(yīng)力強度。

按照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對人孔接管與筒體和封頭連接部位以及非根部與軸線垂直截面位置取相應(yīng)的應(yīng)力評定線，將應(yīng)力分解為相應(yīng)的總體薄膜應(yīng)力Pm或局部薄膜應(yīng)力Pl，一次彎曲應(yīng)力Pb和二次應(yīng)力Q，然后對其進(jìn)行應(yīng)力評定，評定結(jié)果如表2所示。

表2 各應(yīng)力分類線的應(yīng)力強度評定

經(jīng)過對該頂部局部結(jié)構(gòu)的有限元分析計算，由表2可知此不銹鋼氫化罐在最高允許壓力工作狀態(tài)下其強度滿足相應(yīng)要求。

4 結(jié)論

對不銹鋼氫化罐頂部人孔及機(jī)架凸緣局部結(jié)構(gòu)部位在內(nèi)筒最高允許工作壓力情況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行ANSYS分析，可以得出：此不銹鋼氫化罐頂部的應(yīng)力強度的最大值出現(xiàn)在圖中人孔接管與封頭的連接處，由于該處的幾何突變的存在，其應(yīng)力屬于含峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，其應(yīng)力值小于應(yīng)力許用值的3倍。而機(jī)架凸緣上應(yīng)力值比較小，小于材料的許用應(yīng)力，因而此不銹鋼氫化罐設(shè)計符合強度要求。此外，通過ANSYS分析仿真所得的結(jié)果也為此不銹鋼氫化罐的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的依據(jù)。