基于ANSYS的石油壓力容器疲勞壽命研究

李建

（成都益志科技有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)需求不斷攀升，其中對(duì)于石油資源的需求量表現(xiàn)得更加顯著。為了順應(yīng)社會(huì)需求量的提升，世界各國(guó)的石油開(kāi)采量逐漸加大。我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家之一，對(duì)石油的消耗量非常巨大[1]。石油壓力容器是石油開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中的重要設(shè)備[2]。壓力容器使用環(huán)境復(fù)雜且裝載介質(zhì)特殊，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都有可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此必須采取措施對(duì)其使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3,4]。石油壓力容器在使用過(guò)程中由于環(huán)境復(fù)雜容易受到外界對(duì)其造成的循環(huán)周期載荷，在周期載荷的作用下表面容易出現(xiàn)裂紋[5]。毫無(wú)疑問(wèn)，如果容器表面出現(xiàn)了裂紋，會(huì)對(duì)其正?？煽窟\(yùn)行構(gòu)成威脅，縮短設(shè)備的使用壽命?；诖耍瑸闇?zhǔn)確掌握石油壓力容器的使用壽命，有必要研究分析裂紋對(duì)容器疲勞壽命的影響規(guī)律[6]。本文以某工程用石油壓力容器為例，建立了壓力容器疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，詳細(xì)分析了裂紋對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)石油壓力容器的壽命，指導(dǎo)容器的實(shí)踐應(yīng)用具有重要的實(shí)踐意義。

1 石油壓力容器疲勞壽命模型的建立

1.1 三維模型的建立

三維模型利用Solid Works軟件繪制，石油壓力容器為圓筒形件，內(nèi)徑和壁厚分別為3m和10mm。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模型建立過(guò)程方便。模型建立完成后要將其導(dǎo)出為STP格式，以便后續(xù)導(dǎo)入到ANSYS軟件建立容器的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。

1.2 有限元模型的建立

（1）模型假設(shè)。壓力容器內(nèi)部存儲(chǔ)的石油會(huì)導(dǎo)致沿著容器厚度方向溫度分布不均勻。因此，在開(kāi)展壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中還需要考慮溫度的影響，建立熱力耦合模型。另外，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假設(shè)容器內(nèi)表面存在的裂紋全部為橢圓形。

（2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是有限元仿真分析中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會(huì)直接影響仿真分析計(jì)算過(guò)程和結(jié)果?？紤]到本文的研究對(duì)象壓力容器為曲面結(jié)構(gòu)，最終選擇十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為10mm。最終得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為245087個(gè)和321654個(gè)。

（3）材料屬性。壓力容器的材料為Q345，該材料的彈性模量和泊松比分別為208GPa和0.3，屈服強(qiáng)度和最大許用應(yīng)力值分別為345MPa和510MPa。將上述參數(shù)輸入到有限元模型中參與計(jì)算，以確保計(jì)算結(jié)果的精度。

（4）邊界條件。石油容器在工作時(shí)會(huì)受到外部對(duì)其造成的沖擊，導(dǎo)致容器內(nèi)部石油發(fā)生晃動(dòng)，因此內(nèi)表面會(huì)受到周期性載荷作用。且石油容器遭受的沖擊是間斷變化的，所以容器內(nèi)壁受到的載荷也是變化的。在ANSYS軟件中通過(guò)載荷步設(shè)置壓力容器內(nèi)表面載荷在0-1MPa范圍內(nèi)變化?？紤]到石油容器內(nèi)部石油有溫度，將容器內(nèi)部溫度設(shè)置在40-60℃內(nèi)變化?？梢钥闯觯腿萜髟诠ぷ鲿r(shí)不僅會(huì)承受持續(xù)變化的力載荷，同時(shí)還承受一定的溫度載荷。在力載荷和溫度載荷的綜合作用下，壓力容器不可避免地會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，只是時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題。如果出現(xiàn)裂紋后不對(duì)其進(jìn)行處理，就會(huì)急劇縮短設(shè)備使用壽命。

2 石油壓力容器疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果分析

主要研究了裂紋寬度、深度、方向、數(shù)量對(duì)石油壓力容器疲勞壽命的影響。下面對(duì)這些情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 單個(gè)軸向裂紋的影響

圖1所示為單個(gè)軸向裂紋時(shí)的疲勞壽命分布云圖。需要說(shuō)明的是，圖中顯示的裂紋規(guī)格為長(zhǎng)度×深度=150mm×8mm。由圖1可知，在裂紋的影響下，容器表面不同區(qū)域的疲勞壽命分布非常不均勻，距離裂紋越近則疲勞壽命越短，距離裂紋越遠(yuǎn)則疲勞壽命越長(zhǎng)。

圖1 單個(gè)軸向裂紋時(shí)的疲勞壽命分布云圖

圖2所示為單個(gè)軸向裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線。本研究中將裂紋長(zhǎng)度設(shè)置在50-200mm范圍內(nèi)，每間隔50mm取值計(jì)算，將裂紋深度設(shè)置在2-8mm范圍內(nèi)，每間隔2mm取值計(jì)算。由圖可知，裂紋的規(guī)格尺寸會(huì)對(duì)容器疲勞壽命產(chǎn)生顯著影響。具體而言，隨著裂紋規(guī)格尺寸的逐漸增大，容器的疲勞壽命逐漸降低。且當(dāng)裂紋尺寸不同時(shí)，其降低的趨勢(shì)存在差異，尺寸越大降低趨勢(shì)越顯著。

圖2 單個(gè)軸向裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線

2.2 單個(gè)縱向裂紋的影響

當(dāng)石油壓力容器只包含有單個(gè)縱向裂紋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞壽命最短的區(qū)域?yàn)榱鸭y最尖端部分，同樣與實(shí)際情況吻合。如圖3所示為單個(gè)縱向裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線。需要說(shuō)明的是，仿真模擬時(shí)設(shè)置的裂紋規(guī)格尺寸與橫向裂紋時(shí)相同。由圖可知，裂紋規(guī)格尺寸對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律與橫向裂紋時(shí)相同。即裂紋長(zhǎng)度不變時(shí)，隨裂紋深度不斷增加，疲勞壽命逐漸降低。裂紋深度不變時(shí)，隨著裂紋長(zhǎng)度增加，疲勞壽命同樣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。從圖2和圖3還可以看出，不管裂紋方向如何，裂紋深度對(duì)石油壓力容器的疲勞壽命影響更加顯著。另外，對(duì)比縱向和軸向裂紋可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)深度和長(zhǎng)度都相同時(shí)，橫向裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響更加顯著。因此，在工程實(shí)踐中，要特別注意石油壓力容器裂紋的方向以及深度。

圖3 單個(gè)縱向裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線

圖4 雙裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線

2.3 雙裂紋的影響

在模型中同時(shí)設(shè)置兩條裂紋，尺寸相同但存在一定角度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋尖端部位仍然是疲勞壽命最短的區(qū)域。如圖4(a)所示為雙裂紋對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響曲線。需要說(shuō)明的是，仿真模擬時(shí)設(shè)置的雙裂紋規(guī)格尺寸與單裂紋時(shí)相同。由圖可知，雙裂紋規(guī)格尺寸對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律與單裂紋時(shí)相同。

進(jìn)一步分析雙裂紋間夾角對(duì)壓力容器疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖4(b)所示。從圖中曲線可以看出，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度固定時(shí)，隨著雙裂紋夾角的不斷增加，壓力容器疲勞壽命逐漸降低。且隨裂紋長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，這種逐漸降低的變化趨勢(shì)變得越來(lái)越顯著。另外還發(fā)現(xiàn)，雙裂紋夾角在角度相對(duì)較小時(shí)變化幅度相對(duì)較大，當(dāng)增加到一定程度時(shí)變化幅度相對(duì)較小。

基于上述研究結(jié)果可知，當(dāng)石油壓力容器內(nèi)表面同時(shí)存在多條裂紋時(shí)，與單裂紋相比較，其受力情況變得更加復(fù)雜。不同裂紋間的受力會(huì)相互影響相互作用。在裂紋長(zhǎng)度和深度都相同時(shí)，雙裂紋導(dǎo)致的容器疲勞壽命衰減速度更快。

3 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)

某石油壓力容器為圓筒形，圓筒的內(nèi)徑為3m，壁厚值為10mm，材質(zhì)為Q345。在正常使用過(guò)程中受到周圍環(huán)境對(duì)其施加的0-1MPa的循環(huán)載荷。由于石油壓力容器工作環(huán)境復(fù)雜，在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)在壓力容器內(nèi)外表面形成裂紋。一旦出現(xiàn)裂紋就會(huì)對(duì)壓力容器疲勞壽命產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。為確保壓力容器的使用安全，必須對(duì)其使用壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。根據(jù)上文分析結(jié)果可以看出，基于ANSYS軟件的石油壓力容器預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況非常吻合，可以基于該模型來(lái)預(yù)測(cè)壓力容器的使用壽命。在本工程案例中，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)石油壓力容器內(nèi)表面存在多條裂紋，為有效預(yù)測(cè)壓力容器使用壽命，避免容器出現(xiàn)疲勞損傷引發(fā)安全事故，根據(jù)上文所述的ANSYS軟件建模方法，對(duì)本工程案例中的石油壓力容器進(jìn)行建模分析，有效預(yù)測(cè)了壓力容器的使用壽命。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果在壓力容器出現(xiàn)疲勞損傷報(bào)廢之前對(duì)其進(jìn)行更換，有效避免了安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

石油壓力容器由于工作環(huán)境復(fù)雜，受到持續(xù)變化的沖擊載荷作用，容易發(fā)生疲勞裂紋，進(jìn)而使其壽命出現(xiàn)急劇降低。利用ANSYS軟件搭建了石油壓力容器的疲勞壽命模型，分析了裂紋規(guī)格尺寸、雙裂紋夾角對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與裂紋規(guī)格尺寸之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系。與單裂紋相比較，雙裂紋對(duì)疲勞壽命的影響更加顯著。將本文建立的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到工程實(shí)踐中，有效預(yù)測(cè)了某石油壓力容器的使用壽命，確保了石油壓力容器的使用安全。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 李揚(yáng). 石油測(cè)井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)化工貿(mào)易，2019，11(24)：99.

[2] 劉堯瑞. 石油化工設(shè)備壓力容器破壞和防范策略[J].新商務(wù)周刊，2019，(16)：157.

[3] 于瑞琪. 壓力容器在石油化工生產(chǎn)中實(shí)際使用壽命的分析[J].中國(guó)化工貿(mào)易，2019，11(27)：193.

[4] 靳志宇. 論石油化工在用壓力容器缺陷修補(bǔ)措施[J].化工管理，2017，(21)：195.

[5] 于靜. 壓力容器的疲勞壽命與裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究[J].名城繪，2018，(9)：522.

[6] 朱永峰. 壓力容器帶法蘭結(jié)構(gòu)的疲勞分析[J].山東化工，2016，45(13)：178-180+183.