夾套容器封口錐強(qiáng)度計(jì)算與分析

歐金藩

（湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

夾套容器是石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)中非常常見(jiàn)和典型的設(shè)備。夾套的主要結(jié)構(gòu)型式有整體夾套、半圓管夾套、型鋼夾套以及蜂窩夾套等[1]。整體夾套又分為U 型夾套和圓筒型夾套，U 型夾套以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)夾套封口錐只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，沒(méi)有專門(mén)針對(duì)夾套封口錐的強(qiáng)度計(jì)算說(shuō)明，且由于封口錐過(guò)渡段轉(zhuǎn)角半徑尺寸無(wú)法滿足GB/T 150.3—2011中折邊錐形封頭大端過(guò)渡段轉(zhuǎn)角半徑的要求（r≥10%DiL且≥3δr），也就不能按GB/T 150.3—2011中錐殼強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。在設(shè)計(jì)工作中，工程設(shè)計(jì)人員常常忽略了夾套封口錐的強(qiáng)度計(jì)算，直接取與夾套筒體相同的壁厚，但夾套封口錐和夾套筒體是兩種結(jié)構(gòu)不同的元件，在相同載荷下，兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值是不一樣的，因此封口錐直接取夾套筒體的壁厚是不合理的。本文對(duì)兩種夾套結(jié)構(gòu)（U型夾套及加強(qiáng)圈把夾套分成上下兩部分的夾套）的封口錐采用有限元應(yīng)力分析法進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 夾套容器設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸

夾套容器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。本文分析兩種夾套結(jié)構(gòu)：第一種，U 型夾套，此為常見(jiàn)結(jié)構(gòu)；第二種，為了滿足工藝要求，在整體夾套中間加個(gè)隔離圈，把夾套分為上下兩部分，此隔離圈可以作為內(nèi)筒體受外壓載荷時(shí)的加強(qiáng)圈。

圖1 夾套結(jié)構(gòu)及尺寸

表1 夾套容器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 有限元分析計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

由于夾套容器為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故把三維實(shí)體轉(zhuǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，考慮結(jié)構(gòu)不連續(xù)對(duì)應(yīng)力分布的影響范圍，模型中所取內(nèi)筒體長(zhǎng)度和夾套筒體長(zhǎng)度均大于邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度內(nèi)筒體、夾套筒體壁厚分別取有效厚度21.7mm、8.7mm，加強(qiáng)圈材料為S31 608，厚度為20mm。模型網(wǎng)格劃分采用四邊形，如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 載荷和位移邊界條件

計(jì)算模型載荷只考慮設(shè)計(jì)壓力，內(nèi)筒體上端橫截面施加軸向位移為零的約束，夾套筒體下端橫截面施加夾套內(nèi)壓對(duì)應(yīng)的等效平衡載荷p1，p1按下式計(jì)算確定：

其中pj,Dj,δj分別為夾套壓力、夾套筒體內(nèi)徑以及夾套筒體有效壁厚。

2.3 計(jì)算結(jié)果

第一種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力值為595.62MPa，位于封口錐過(guò)渡段內(nèi)表面；遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的夾套筒體總體薄膜應(yīng)力為95MPa。

圖3 第一種結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖

第二種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力值為270.48MPa，位于下部分夾套筒體與加強(qiáng)圈連接處內(nèi)表面；遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的夾套筒體總體薄膜應(yīng)力為95MPa。

圖4 第二種結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖

3 應(yīng)力線性化及強(qiáng)度評(píng)定[2]

應(yīng)力分類及強(qiáng)度評(píng)定參照J(rèn)B 4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。應(yīng)力線性化的路徑選取原則為：對(duì)分析部位沿厚度最小方向取路徑。

3.1 應(yīng)力線性化

第一種結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)為封口錐過(guò)渡段區(qū)以及封口錐與內(nèi)筒體連接區(qū)，線性化路徑如圖5所示。

圖5 第一種結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域線性化路徑

第二種結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)為封口錐過(guò)渡段區(qū)、封口錐與內(nèi)筒體連接區(qū)、加強(qiáng)圈與夾套下部分筒體連接區(qū)以及加強(qiáng)圈與內(nèi)筒體連接區(qū)，線性化路徑如圖6所示。

圖6 第二種結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域線性化路徑

3.2 強(qiáng)度評(píng)定

兩種結(jié)構(gòu)各路徑上的應(yīng)力分類和強(qiáng)度評(píng)定分別見(jiàn)表2和表3。第一種結(jié)構(gòu)在夾套封口錐與內(nèi)筒體連接處的SⅣ（一次局部薄膜應(yīng)力加二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，單位MPa）大于3Sm（許用值），已經(jīng)不滿足強(qiáng)度要求；封口錐過(guò)渡段的SⅣ也已經(jīng)接近3Sm。而在此壓力載荷條件下的夾套筒體總體薄膜應(yīng)力為95MPa，還遠(yuǎn)小于其許用值（Sm=186.6MPa）。所以封口錐的厚度直徑按夾套筒體厚度取是不合理的。第二種結(jié)構(gòu)由于有加強(qiáng)圈把夾套分成上下兩部分，上部分夾套筒體的軸向應(yīng)力減小，所以封口錐的各類應(yīng)力都比第一種結(jié)構(gòu)中封口錐的各類應(yīng)力有明顯的減小。

表2 第一種結(jié)構(gòu)各路徑上的強(qiáng)度評(píng)定

表3 第二種結(jié)構(gòu)各路徑上的強(qiáng)度評(píng)定

其中：Sm-材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，單位MPa；

SⅡ-一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，單位MPa；

SⅣ-一次局部薄膜應(yīng)力加二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，單位MPa。

4 結(jié)論

本文依托實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的某一反應(yīng)釜（其夾套結(jié)構(gòu)為第二種，即有加強(qiáng)圈），采用有限元應(yīng)力分析法，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)夾套的封口錐的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和分析，得出結(jié)論如下：

1）由第一種夾套結(jié)構(gòu)（U 型夾套）計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)夾套筒體總體薄膜應(yīng)力遠(yuǎn)小于材質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力時(shí)，封口錐處SⅣ（一次局部薄膜應(yīng)力加二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度）大于3Sm（許用值），已經(jīng)不滿足強(qiáng)度要求；所以封口錐的計(jì)算厚度大于夾套筒體的計(jì)算厚度，在設(shè)計(jì)中封口錐的厚度不能直接取夾套筒體厚度，需要另行做強(qiáng)度計(jì)算。

2）比較兩種夾套結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果可知，加強(qiáng)圈明顯降低了封口錐的應(yīng)力強(qiáng)度，第二種結(jié)構(gòu)封口錐區(qū)域各類應(yīng)力和加強(qiáng)圈區(qū)域的各類應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的許用值，滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求；因此，對(duì)于U 型夾套，在沒(méi)有工藝需要將夾套分為上下兩部分的條件下，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)同樣可以考慮增加加強(qiáng)圈，然后在加強(qiáng)圈上開(kāi)適量的孔保持夾套上下兩部分的連通。