外壓圓筒開孔補強計算與穩(wěn)性研究

尚勇志，何佳偉

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

壓力容器已在石油、化工等行業(yè)，以及海洋工程、輕工機械、生物工程、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但因長期使用，不同程度地受到環(huán)境影響，必然會造成容器尺寸、形狀等發(fā)生變化或容器材料性能發(fā)生變化，致使容器產(chǎn)生過度變形、斷裂以及泄露等現(xiàn)象，而喪失正常功能。

高勇等[1]以石油化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的外壓容器為對象，利用有限元法研究了開孔率、容器厚度等參數(shù)對外壓容器失穩(wěn)的影響，得出了一些有益的結(jié)論；方小里等人[2]對有接管和無接管大型薄壁外壓容器進行了非線性失穩(wěn)對比分析；崔偉以外壓薄壁圓筒為對象[3]，針對筒體尺寸、材料性能以及初始缺陷（橢圓度、材料不均勻性）等，開展了其臨界壓力以及屈曲形態(tài)的影響分析，以及支座結(jié)構(gòu)、開孔結(jié)構(gòu)對臨界壓力和屈曲形態(tài)的影響研究。

深海可燃冰開采已成為海洋資源開發(fā)的重要內(nèi)容，而可燃冰開采過程所使用的乙二醇再生與回收系統(tǒng)（MRU），其核心裝備包括預(yù)處理、再生及脫鹽等[4-5]。負(fù)壓閃蒸罐作為MRU 脫鹽系統(tǒng)中的核心部件，需要保證其在使用中的穩(wěn)定性[6]。

本研究以負(fù)壓閃蒸罐為對象，采用壓力面積法和膜-彎曲應(yīng)力法，進行開孔補強應(yīng)力計算，并對比分析了結(jié)果的合理性，為容器設(shè)計提供了參考，提高了容器的可靠性。

1 負(fù)壓閃蒸罐結(jié)構(gòu)與參數(shù)

深水氣田MRU 脫鹽系統(tǒng)中使用的負(fù)壓閃蒸罐由筒體和封頭組成。筒體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該筒體幾何參數(shù)包括罐身高650 mm、直徑400 mm 和容積80 L。其筒體內(nèi)可分為氣相段和液相段兩部分，其中氣相段為快速蒸發(fā)階段，含鹽乙二醇溶液在筒體內(nèi)壁自上而下形成液膜，并且在高溫下蒸發(fā)；液相段為表面沸騰段，由于壓力的變化，乙二醇溶液開始沸騰，此時乙二醇溶液中一價鹽的溶解度不斷降低，并開始析出[5]。

圖1 筒體半剖視圖

根據(jù)深水氣田MRU 脫鹽閃蒸裝置運行工況，按照GB150.3-2011《壓力容器第3 部分：設(shè)計》要求進行設(shè)計和計算，負(fù)壓閃蒸罐基本設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 容器參數(shù)表

2 開孔對筒體臨界壓力的影響

2.1 開孔筒體失穩(wěn)臨界壓力

壓力容器殼體開孔后，整體強度受到削弱，同時導(dǎo)致開孔處結(jié)構(gòu)連續(xù)性遭到破壞，造成筒體結(jié)構(gòu)上的缺陷[7]，使容器承壓能力下降。因此，在壓力容器穩(wěn)定性分析中，必須考慮開孔所引起的結(jié)構(gòu)缺陷以及對筒體失穩(wěn)臨界壓力的影響[8]。

在原有筒體模型基礎(chǔ)上增加徑向開孔，建立帶開孔接管筒體模型，使用ANSYS Workbench 對開孔筒體進行失穩(wěn)分析，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 有接管筒體失穩(wěn)變形

保持筒體其他尺寸不變，計算不同開孔直徑下筒體的失穩(wěn)臨界壓力，結(jié)果見表2。

表2 開孔筒體臨界壓力

從表2 可知，筒體表面結(jié)構(gòu)受開孔影響后，其失穩(wěn)臨界壓力小于未開孔的筒體，且隨著開孔率的增大，開孔結(jié)構(gòu)對筒體抗失穩(wěn)能力的影響不斷增大，當(dāng)開孔率達到0.4 時筒體的失穩(wěn)臨界壓力降低了70.56%，說明筒體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，需要對開孔應(yīng)力集中區(qū)域進行補強。

2.2 壓力面積法計算結(jié)果

西德AD 規(guī)范表明壓力在殼體受壓面積上形成的載荷與有效補強范圍內(nèi)的殼體、接管和補強材料的面積所具有的承載能力相平衡[9]，計算式為：

式中，Afs為殼體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積，mm2；Afw為補強連接處凸出殼體表面焊接接頭金屬面積，mm2；Afp為補強圈截面金屬面積，mm2；Afb為接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積，mm2；Aps為補強有效范圍內(nèi)殼體的壓力面積，mm2；Apb為補強有效范圍內(nèi)接管的壓力面積，mm2；[σ]s為殼體材料許用應(yīng)力，MPa；[σ]p為補強材料許用應(yīng)力，MPa。

式中的應(yīng)力集中系數(shù)是隨具體的開孔補強結(jié)構(gòu)尺寸變化而變化的，其最大值按照第三強度設(shè)計理論來確定。計算時，當(dāng)殼體、接管和補強圈的材料都相同時，則取[σ]s= [σ]p= [σ]b= [σ]

則上式可化為：

應(yīng)力計算結(jié)果如下：

（1）筒體有效補強寬度

式中，δe為筒體壁厚，mm；R0為筒體半徑，mm；C為筒體偏差厚度，mm。

（2）接管外側(cè)有效補強高度

式中，C′為接管偏差厚度，mm；Rn為接管半徑，mm。

因而有：

這里，壓力面積法計算得到的應(yīng)力為140.72 MPa，雖然在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，但是已經(jīng)非常逼近許用應(yīng)力，由此可以判斷，開孔引起的應(yīng)力使結(jié)構(gòu)處于極限承載狀態(tài)，開孔處局部區(qū)域極有可能會存在一定程度的塑性變形。

2.3 膜-彎曲應(yīng)力法計算結(jié)果

膜-彎曲應(yīng)力法是由美國《ASME 壓力容器規(guī)范》最早提出，通過計算各承載區(qū)域截面上薄膜的應(yīng)力，并將其控制在材料的許用應(yīng)力以內(nèi)，以滿足結(jié)構(gòu)承載要求[10]。

除了滿足結(jié)構(gòu)的一次總體及局部薄膜應(yīng)力強度外，還要考慮到殼體開孔前、后壓力在接管部位的作用位置發(fā)生變化而引起的彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的強度問題。按膜-彎曲應(yīng)力法，應(yīng)滿足薄膜應(yīng)力不超過許用應(yīng)力，薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和不超過1.5 倍許用應(yīng)力[11]，即：

（1）薄膜應(yīng)力計算

式中，As為補強圈總承載面積，mm2；Rnm為接管平均半徑，mm；Rm為筒體平均半徑，mm；tn為接管厚度，mm；te為補強圈厚度，mm。

（2）彎曲應(yīng)力計算

滿足條件：

計算結(jié)果如下：

由此可知，開孔處應(yīng)力過大，已超過了材料的許用應(yīng)力。

3 結(jié)束語

以深海氣田MRU 脫鹽系統(tǒng)負(fù)壓閃蒸罐為研究對象，分別構(gòu)建了開孔罐體的結(jié)構(gòu)模型和有限元分析模型，并通過有限元法、壓力面積法和膜-彎曲應(yīng)力法對其進行應(yīng)力計算和對比分析。

分析與計算結(jié)果表明：開孔結(jié)構(gòu)削弱了筒體的抗失穩(wěn)能力，且隨著開孔率的增大削弱更多；計算開孔處應(yīng)力時，壓力面積法是一種極限設(shè)計方法，僅考慮了開孔處的薄膜應(yīng)力強度，而膜-彎曲應(yīng)力法在計算時還考慮了彎矩作用下的彎曲應(yīng)力，從計算結(jié)果來看，膜-彎曲應(yīng)力法更加安全可靠，而采用壓力面積法進行開孔補強設(shè)計計算時，則需要留出足夠的安全裕量。