壓力容器中邊緣應(yīng)力和局部高應(yīng)力疊加影響研究

歐金藩

（湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410007）

筒體和封頭都是壓力容器中的重要組成部件，筒體和封頭連接時(shí)的邊界效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生分布復(fù)雜的邊緣應(yīng)力[1]。另外，壓力容器中一般都存在殼體開孔結(jié)構(gòu)，開孔接管與筒體相貫區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部高應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)開孔離筒體和封頭連接處很近的情況，比如熱交換器中封頭管箱的開孔；筒體和封頭連接處邊緣應(yīng)力和開孔接管與筒體相貫區(qū)局部高應(yīng)力會(huì)相互影響。為了避免兩種應(yīng)力的疊加影響，相關(guān)文獻(xiàn)中提出開孔邊緣和筒體與橢圓形封頭連接處的最小距離W宜取和3δn兩者中的較大值（其中：Dn為容器公稱直徑，δn為容器殼體名義厚度）[2]。本文將采用有限元應(yīng)力分析法，對(duì)不同的模型（開孔率不同，開孔和筒體與封頭連接處距離不同）應(yīng)力強(qiáng)度情況進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，探究筒體與封頭連接處邊緣應(yīng)力和接管與筒體相貫區(qū)局部高應(yīng)力疊加影響情況。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸

設(shè)計(jì)參數(shù)及殼體尺寸：設(shè)計(jì)壓力1.1MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，內(nèi)徑600mm，名義厚度6mm，材料為S30408。殼體厚度不考慮厚度附加量，文獻(xiàn)[2]中所提最小距離W為150 mm。

結(jié)構(gòu)幾何簡(jiǎn)圖如圖1。按開孔接管公稱直徑為DN100、DN150、DN200、DN250、DN300五種規(guī)格，每種開孔接管規(guī)格的結(jié)構(gòu)又分W＇＜W和W＇＞W(wǎng)兩種情況（其中W＇如圖1所示），分別建立模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 有限元分析計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

由于模型結(jié)構(gòu)和載荷均具有對(duì)稱性，取整體結(jié)構(gòu)的1/8作為分析模型。

模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 載荷和邊界條件

在筒體端部橫截面施加軸向位移為零的約束，在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。容器內(nèi)表面施加1.1 MPa 的壓力，接管端面施加內(nèi)壓對(duì)應(yīng)的等效平衡載荷p1，p1按下式計(jì)算。

其中，p、di、δnt分別為容器內(nèi)壓、接管內(nèi)徑及接管壁厚。

2.3 計(jì)算結(jié)果

不同開孔接管公稱直徑和不同W′值的計(jì)算模型（共10種）的有限元計(jì)算應(yīng)力云圖如圖3~圖7。從圖中可以看出，同一開孔直徑的兩模型對(duì)比，W'值小的，應(yīng)力強(qiáng)度更大；且隨著開孔直徑的增大，W'值不同時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度相差越大。

圖3 開孔接管為DN100，兩種W′值的應(yīng)力云圖

圖6 開孔接管為DN250，兩種W′值的應(yīng)力云圖

圖7 開孔接管為DN300，兩種W′值的應(yīng)力云圖

3 應(yīng)力等效線性化及應(yīng)力強(qiáng)度分析

應(yīng)力分類參照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)力等效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。

計(jì)算結(jié)果中有些模型最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫與筒體外壁連接處，該處峰值應(yīng)力占比較大，故本文對(duì)該處不作討論。對(duì)每個(gè)模型按圖8所示的四條路徑進(jìn)行應(yīng)力等效線性化處理。由于考察的是靜載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度，表1中列出了每個(gè)模型各路徑上一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ和一次局部薄膜應(yīng)力加二次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ。

表1 各路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度

圖8 應(yīng)力等效線性化路徑

下面探討同一開孔直徑（開孔率）時(shí)W′＜W和W′＞W(wǎng)兩種模型各路徑上SⅡ的相差百分比δ，以及相差百分比δ的值隨著開孔率變化的規(guī)律。如圖9所示。從圖9可以看出，隨著開孔直徑的增大（開孔率增大）W′＜W的模型的應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ超出W′＞W(wǎng)的模型的應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ的百分比逐漸增大。

圖9 SⅡ相差百分比δ隨開孔率變化情況

從圖9還可以看出，路徑3-3處的SⅡ相差百分比δ的值一直處于比較高的水平，即筒體上開孔距離筒體與封頭連接處較近時(shí)對(duì)路徑3-3處的應(yīng)力強(qiáng)度有明顯的影響，但是路徑3-3處應(yīng)力強(qiáng)度水平較低，所以此處應(yīng)力強(qiáng)度的增大并不會(huì)對(duì)壁厚的取值形成影響。路徑2-2處SⅡ相差百分比δ處于比較低的水平，即筒體與封頭連接處的邊緣應(yīng)力對(duì)開孔殼體補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度的影響較小。路徑1-1和路徑4-4處SⅡ相差百分比δ隨著開孔接管直徑由DN100逐次增大到DN300（開孔率ρ由0.16逐次增大到0.52）逐漸增大，即開孔率越大，筒體與封頭連接處的邊緣應(yīng)力對(duì)接管與筒體相貫區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度的影響越大，以及接管與筒體相貫區(qū)局部高應(yīng)力對(duì)封頭過渡區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度的影響越大。

4 結(jié)論

1）筒體與封頭連接處的邊緣應(yīng)力和接管與筒體相貫區(qū)的局部高應(yīng)力會(huì)疊加影響，開孔率越大，相互影響越大，當(dāng)開孔率ρ達(dá)到0.52時(shí)，接管與筒體相貫區(qū)的一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ受筒體與封頭連接處邊緣應(yīng)力的影響會(huì)增大10.27%，封頭過渡區(qū)的一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ受接管與筒體相貫區(qū)高應(yīng)力的影響會(huì)增大18.8%。

2）在常規(guī)設(shè)計(jì)中，開孔邊緣和筒體與封頭連接處的距離盡量大于文獻(xiàn)0中提出的最小距離W。在無法保證該距離大于W時(shí)，開孔補(bǔ)強(qiáng)面積及封頭厚度應(yīng)保有足夠的裕量。