采用應力分析的方法對某在用壓力容器進行強度校核

摘要：某企業(yè)使用的矩形滅菌柜在使用過程中產(chǎn)生局部腐蝕，進行缺陷評級時，因凹坑的存在無法滿足進行無量綱參數(shù)計算的限制條件。文中采用有限元應力分析的方法對缺陷進行強度校核，判斷其是否影響此壓力容器安全使用。

關鍵詞：壓力容器；缺陷；強度校核；有限元分析

Abstract：" The rectangular sterilization cabinet used by an enterprise experienced local corrosion during use， and during defect rating， the presence of pits did not meet the limitations for dimensionless parameter calculation. The finite element stress analysis method is used in the article to verify the strength of defects and determine whether they affect the safe use of this pressure vessel.

Key Words： Pressure vessel; Defects; Strength check; Finite element analysis

0引言

壓力容器在機械、化工、電力等行業(yè)有著廣泛的應用。因其安全運行直接關系著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。定期對在用壓力容器進行全面檢驗，是保障壓力容器安全運行的重要手段。對福建省漳州市某企業(yè)的矩形滅菌柜進行定期檢驗時發(fā)現(xiàn)其筒體內(nèi)表面多處局部腐蝕，文中使用有限元應力分析的方法對缺陷進行強度校核，判斷該容器是否能繼續(xù)安全使用。

1設備概況

該壓力容器為某公司設計制造的矩形壓力容器，設計壓力：0.2MPa，工作壓力0.16MPa；設計溫度：134℃，工作溫度：129℃；容器設計使用年限：8年或大門開關1000次；設備投用日期：2017年12月。壓力容器主要受壓元件材料為：Q345R，厚度：10.0mm，矩形截面尺寸為2200mm×2200mm，腐蝕余量為1mm，筒體計算厚度δ=8.4mm。主要介質(zhì)：水、蒸汽。

2缺陷特征

在定期檢驗時發(fā)現(xiàn)其筒體內(nèi)，存在不同程度的蜂窩狀腐蝕，尤其是前門板底部焊縫附近，最大腐蝕深度達3.3mm，如圖1所示，腐蝕深度超過了壁厚余量。其余幾處腐蝕深度均未超過腐蝕余量，打磨后形成的凹坑不影響定級，故不在此對其進行討論。對腐蝕情況最嚴重的區(qū)域進行打磨后，形成的凹坑尺寸與位置如圖2所示。

該缺陷為比較明顯的局部腐蝕減薄，按局部腐蝕評定安全狀況等級的話，按TSG21-2016 《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定[1]，該容器為矩形容器，不滿足TSG21-2016第8.5.4條 第（4）項中無量綱參數(shù)G0計算的限制條件。按規(guī)范要求，應對缺陷進行補焊或者進行應力分析。不考慮返修的情況下，需要進行應力分析。對于這種矩形容器的應力分析需要運用有限元分析。

3有限元分析

3.1有限元分析簡介

有限元，是數(shù)學中采用求解偏微積分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術[2]。首先將問題區(qū)域分解為若干個有限的小單元，再對每一單元假定一個近似解，接著推導求解問題區(qū)域的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，所以被廣泛地應用于工程分析。有限元技術在壓力容器設計中的應用，就是典型的有限元技術的運用形態(tài)。

3.2采用的標準

該容器的設計文件中采用的設計方法為規(guī)則設計方法。

規(guī)則設計即常用的經(jīng)驗設計，其理論基礎為彈性失效準則——容器構件在外加機械載荷作用下可能出現(xiàn)的最大應力，應限制在所用材料的彈性范圍內(nèi)。有限元應力分析設計方法是以彈性應力分析、彈塑性失效準則及塑性失效準則等理論為基礎研發(fā)出的新方法。兩者依據(jù)的理論不同。所以規(guī)則設計和分析設計的標準不能混用，文中采用有限元技術進行應力分析，分析的只是該壓力容器的一部分結構，不能替代其原有的規(guī)則設計。進行有限元分析計算的目的僅為分析判斷該缺陷是否影響容器的安全使用提供參考。

有限元分析設計方法參考JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》（2005年確認）[2]。評定應力按GB150-2011《固定式壓力容器》 選取。

3.3 有限元分析設計條件

本設備所采用的Q345R材料屬于常溫抗拉強度≤550MPa的鋼材，設計壽命為8年或大門開關循環(huán)的次數(shù)1000次，按照JB4732-1995 第3.10.2.1條的規(guī)定，本設備不需要進行疲勞分析，僅考慮靜載荷下的應力分析。通過對比設計資料與現(xiàn)場實際情況確定分析計算的參數(shù)，承受內(nèi)壓0.2MPa，使用溫度129℃。

3.4建立模型

本設備采用solidworks軟件建立設備的3D模型，因壓力容器內(nèi)的壓力處處相等，且該矩形容器的筒體為對稱結構，為減少模型的計算量，只選取該容器前部門板側(cè)1米范圍內(nèi)的筒體建立1/4的對稱模型。模型建立后，在靠近門板附近使用solidworks自帶的蝕雕功能，建立出一個深度3.3mm的凹坑模型，由于不連續(xù)區(qū)容易產(chǎn)生應力集中，為使計算結果盡可能的接近實際，須使得凹坑與筒體內(nèi)表面圓滑過渡。建立后的仿真模型如圖3所示。

3.5建立新算例

首先，在SOLIDWORKS軟件中建立新算例，定義算例屬性如表1所示；定義類型單元為1/4模型，定義材料屬性如表2所示，彈性模量190GPa，泊松比μ=0.3。

3.6添加夾具與載荷

首先，理想狀態(tài)下默認該容器外部框架穩(wěn)固不變形，在軟件中選取夾具，選擇該容器的外部框架為固定面（見表3）。其次，因建立的模型為1/4的對稱模型，所以點選剖切面，選擇高級夾具中的對稱功能（見表3），然后，添加載荷類型為壓力，使壓力垂直于所選面，壓力值為0.2MPa（見表4）。最后得到的結果如圖4所示。

3.7建立網(wǎng)格

由于有限元計算的局限性，為模擬真實的環(huán)境，建立的網(wǎng)格理論上是越小越好，但是建立的網(wǎng)格太小的話又會大幅度地提升計算量，進而降低計算效率。所以，在局部不連續(xù)區(qū)（缺陷附近區(qū)域）建立的網(wǎng)格適當?shù)拿芤稽c，結構連續(xù)區(qū)域的網(wǎng)格適當稀疏一點，可以有效地提高計算效率，生成的網(wǎng)格模型如圖5所示。

3.8計算分析

通過軟件的分析計算功能得到的應力分析圖，如圖6所示。由圖6可知，該結構的最大局部應力為 249.9MPa，最大應力位置并不在凹坑處，而是在筒體與外部框架的角焊縫位置。

134℃時，Q345R鋼板的許用應力為184MPa。

應力評定公示應滿足[2]

式中：

SII——一次局部薄膜應力強度，MPa；

Sm——容器元件材料在試驗溫度下的設計應力強度；

K——系數(shù)K由表3 給出。

K值查表取值1.0，公示計算：大小為249.9MPa＜1.5×184=276MPa，因此強度校核合格。

4結論

通過對容器靠近前部門板1m范圍內(nèi)局部筒體的靜應力分析可知，本設備在現(xiàn)有狀態(tài)下（即腐蝕情況不再進一步發(fā)展的狀態(tài)下），其強度能滿足安全使用的要求。

參考文獻

[1]固定是壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程：TSG21-2016[S].

[2]鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）：JB 4732-1995[S].