锆-钢复合板压力容器A类焊接接头用盖板受力分析VIP

第 4 4 卷第 1 期 2 0 1 5年 1月 石油化工设备 PE TR0一 CHEMI CAL EQUI PMENT V0 1 44 NO 1 J a n 2 0 1 5 文 章 编 号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 2 6 0 4 锆一 钢 复合板压 力容器 A类焊接接头 用盖板 受力分 析 谢全利 ，冯秋元 ，张永强 ，苑 晓刚 ，刘继雄 ，王剑虹 ，熊富仓 ( 1 华陆工程科技有 限责任公 司 设 备室 ，陕西 西安7 1 0 0 6 5 ； 2 宝钛集 团有 限公 司，陕西 宝鸡7 2 1 0 1 4 ) 摘 要 ：锆一 钢 复合板 压 力容 器的 A 类 焊接接 头通 常 采 用 1块锆材 盖板 覆 盖在 焊缝 的上 面 ， 由于盖 板 中间部位与金属垫块之间不可避免存在的间隙， 极有可能会 出现此盖板在容器承 受内压时首先发 生破坏的现象。从力学理论上分析 了盖板的受力情况， 计算 了盖板与金属垫块之间的许 用间隙， 得 到了盖板的计算厚度 ， 提 出了一种适合于工程实际应用的强度核算方法， 可供 同类工程技术人员参 考使 用 。 关键 词 ：压力容器；锆材 ；焊接接头；盖板 ；受力分析 中 图分类 号 ：TQ0 5 0 2 ；T G4 0 7 文 献标 志码 ： B d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 7 4 6 6 2 0 1 5 0 1 0 0 7 大约下 降 0 0 7 MP a 。 ( 3 ) 三通 爆 破 压 力 会 随着 C值 的增 大 而 增 大 ， 但 是 当 C值 大于 规范 给定 值 时 ， C值 每增 加 1 mm， 爆 破压 力 大约增 加 0 0 0 4 MP a 。由此 可 知 ， 在 当前 规范基础上， 增加三通 C值不能有效提高三通的爆 破压 力 。 ( 4 ) 通过增加三通 c值不能解决 当前高压力、 大 口径 拔 制三 通制 造 中的 问题 。笔者 建议应 从 三通 结构 、 优化 三通 内外过 渡 圆弧角 、 改进 制造 工艺 以及 增 加 三通 肩部 壁厚 等 方 面 进 行 考 虑 ， 以 达 到 提 高三 通强 度 的 目的 。 参考文献 ： 1 GB 5 0 2 5 1 2 0 0 3 ， 输气管道工程规范 E s ( GB 5 02 5 1 2 OO 3， Cod e f or De s i g n f o r Ga s Tr a ns p or t a t i o n P i p e l i n e E n g i n e e r i n g S ) 2 GB 5 0 2 5 3 - 2 0 0 3 ， 输油管道工程规范 s ( GB 5 0 25 3- 2 00 3 Co de f or De s i gn f o r Oi l Tr a ns p or t a t i o n P i p e l i n e E n g i n e e r i n g s ) 3 ( AS ME B 3 1 4 2 0 1 2 ， P i p e l i n e Tr a n s p o r t a t i o n S y s t e ms f o r L i q u i d s a n d S l u r r i e s S ) 4 ( AS ME B 3 1 8 2 O 1 2 ， Ga s Tr a n s mi s s i o n a n d D i s t r i b u t i o n P i p i n g S y s t e ms E s 3 ) 5 GB 1 2 4 5 9 -2 0 0 5 ， 钢制对焊无缝管件 S ( GB 1 2 4 5 9 - 2 0 0 5， S t e e l Bu t t we l d i n g S e a ml e s s Pi p e F i t t i n g s S ) E 6 赵树炳 ， 赵振 兴 ， 张志强 ， 等 油气管道用 大 口径三通结 构分析及优化 J 石油化 工设 备 ， 2 0 1 4 ， 4 3 ( 1 ) ： 4 4 4 7 ( Z H A0 S h u - b i n g ，Z HA0 Z h e n - x i n g 。Z HANG Z h i q i a n g， e t a 1 St r u c t ur e Ana l y s i s a n d Opt i mi z e f or La r g e r Di a me t e r T e e Us e d f o r Oi l G a s P i p e l i n e J P e t r o c h e mi c a l Eq u i p me n t ， 2 0 1 4 ， 4 3 ( 1 ) ： 4 4 4 7 ) 7 S Y T 0 5 1 O 一2 O 1 O ， 钢制对焊管件规范 s ( S Y T 0 5 l O 一 2 O 1 0， Co d e f o r S t e e l B u t t - we l d i n g Fi t t i n g s S ) 8 S Y T 0 6 0 9 2 0 0 6 ， 优质钢制对焊管件规范 s (S Y T 0 6 0 9 - 2 0 0 6 ， S p e c i f i c a t i o n f o r Hi g h Te s t Wr o u g h t B u t t We l d i n g F i t t i n g s S ) 1- 9 AS ME B 1 6 9 2 O 1 2 ，F a c t o r y ma d e Wr o u g h t B u t t w e l d i n g F i t t i n g s S E l O MS S S P 7 5 - 2 0 0 8 ， S p e c i f i c a t i o n f o r Hi g h - T e s t ， Wr o u g h t ， B u t t - we l d i n g F i t t in g s S 1 1 GB 1 5 0 1 1 5 0 4 2 O 1 1 ， 压力容 器 S ( G B 1 5 O 1 1 5 0 4 2 O l l ， P r e s s u r e Ve s s e l s S ) 1 2 J B T 4 7 3 2 -2 0 0 5 ， 钢制 压 力 容 器 分 析设 计 标 准 I s ( J B T 4 7 3 2 - 2 0 0 5， S t e e l P r e s s u r e Ve s s e 1 s De s i g n b y A n a l y s i s S ) ( 许 编) 收 稿 日期 ：2 0 1 4 0 7 2 6 基 金项 目：陕西省科技统筹创新工程计划项 目( 2 0 1 1 KTZ B 0 1 0 3 0 3 、 2 0 1 1 KTZ B 0 1 0 3 0 4 ) 作者简 介 ：i ： N( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 陕西西安人 ， 高级工程 师 ， 学士 ， 主要从 事压力容器常规设计和分析设计等工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 谢全利 ， 等 ： 锆一 钢复合板压力容 器 A类焊接接头用盖板受力分 析 F o r c e An a l y s i s o f C o v e r Pl a t e Us e d b y Cl a s s A W e l d i n g J o i n t f o r Zi r c o n i u m- s t e e l Co mp o s i t e Pl a t e Pr e s s u r e Ve s s e l XI E Qu a n - l i ，F ENG Qi u - y u a n ，ZHANG Yo n g - q i a n g 2 ，YUAN Xi a o g a n g ， LI U J i - x i o n g 。WANG J i a n - h o n g 。XI ONG Fu - c a n g 2 ( 1 Eq u i pme nt Di v i s i on，H ua l u En gi n e e r i n g Te c h no l og y Co Lt d， Xi a n 7 1 0 0 6 5 ，Ch i n a ；2 Ba o t i Gr o u p Lt d ，B a o j i 7 2 1 0 1 4 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：F o r z i r c o n i u m s t e e l c o mp o s i t e p l a t e p r e s s u r e v e s s e l ，t h e c l a s s A we l d i n g j o i n t i s u s u a l l y us e d o ne z i r c oni um c ov e r p l a t e t o ov e r r i de we l d s A g a p e xi s t s i ne v i t a bl y b e t we e n t he mi d dl e p a r t of t he c o v e r pl a t e a nd t he pa d of m e t a 1 W he n t he v e s s e l i nt e r na l pr e s s u r e i n c r e a s e s ，t he C O Y e r pl a t e c ou l d be da m a g e d f i r s t l y The f or c e a c t e d on c o v e r pl a t e wa s a n a l yz e d t he or e t i c a l l y a nd t he s a f e t y c l e a r a nc e b e t we e n c ov e r pl a t e a nd me t a l p a d wa s c a l c u l a t e d t o o bt a i n t he c a l c u l a t i on t hi c k ne s s o f c ov e r p l a t e，a n d t h e n a s t r e n gt h c h e c k m e t ho d f o r e ng i ne e r i ng pr a c t i c a l a p pl i c a t i on wa s p r ov i d e d Thi s m e t ho d c a n r e f e r e n c e f o r s i mi l a r t e c h ni c a l p e r s onn e 1 Ke y wo r d s ：p r e s s u r e v e s s e l ；z i r c o n i u m；we l d i n g j o i n t ；c o v e r p l a t e ；f o r c e a n a l y s i s 锆被 誉 为 2 1世 纪最有 发 展前 途 的材料 之一 ， 具 有优异的抗腐蚀性能， 在石油化工 领域和核工业 中 得到 越来 越广 泛 的应 用口 。工 业 锆 产 品 主要 用 于 制作压力容器 、 热交换器、 管道 、 槽、 轴、 搅拌器及阀、 泵、 喷雾器、 托盘、 除雾器和塔衬料等 3 。 常用 的锆 ( Z r - 3 ) 的部 分物 理性 能见 表 1 4 ， 不 同 温度 下 的许用 应 力 见 表 2 _ 5 。锆 ( Z r 一 3 ) 室 温 下 的抗 拉强 度 R 3 8 0 MP a ， 规定 非 比例 延伸 强度 R 。 2 0 5 M Pa。 表 1 锆 ( z r - 3 ) 的部分物理性能 表 2 锆 ( Z r - 3 ) 在不 同温度下 的许用应 力 MP a 在设计压力容器时 ， 设计者除考虑选材 的合理 性外还应考虑经济性 。锆材价格 昂贵 ， 比较经济实 用的方法是采用锆一 钢复合板来制造有特殊要求 的 压力容器， 一方面可极 大地 降低成本 ， 节约锆材 ； 另 一 方面可充分利用锆和钢 的优点_ 1 。当需用 的锆板 厚度大于 1 2 mm 时 ， 一般都选 用锆一 钢复合板进行 制作 。 鉴于锆材与钢材不能直接熔化焊接 ， 通常在焊 接锆一 钢 复合 板 时 ， 多 采 用 间接 接 头 形 式 ， 常 见 的锆一 钢复合板压力 容器 A 类 焊接接 头示 意 图见 图 1 。 金属垫块( 锆、钛或铜 ) 图 1 锆一 钢复合板压力容器 A类焊接接头 由于 锆 ( 衬 层 ) 不 能 直 接焊 接 到 碳 钢 ( 基 层 ) 上 ， 在焊 接钢 板之 前 ， 需 将 焊 接 区域 的锆 衬 层 去 除 。碳 钢焊 接完 成后 ， 在锆 衬层 空缺 处嵌 入锆 垫块 ( 考 虑到 经济 性 ， 垫 块也 可 采用 钛 或 铜 垫 块 ) ， 再 在垫 块 上 覆 盖 1 块 锆 盖板并 牢 固焊 接在 衬层上 。垫块 和盖板 下 面的容器壳体上钻出通气孑 L 以便为盖板焊缝的背面 提供氩气进行保护 ， 同时也可作为盖板搭接焊接头 检漏 的检 漏孔 。 在盖板中间部位与金属垫块之间不可避免地存 在间隙 ， 此 间隙可通过通气与检漏孑 L 与大气相通。 因此 ， 此 盖板 在容器 承 受 内压 时有发生 破 坏 的危 险 ， 直接影响锆一 钢复合板压力容器的安全。 文中以图 1所示 的盖板为研究对象， 从力学理 论上对盖板受力进行分析 ， 通过计算盖板与金属垫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5年第 4 4卷 块之间的许用间隙 ， 提 出一种适合 于工程实际应用 的强度核算方法 ， 以期为此类焊接接头用盖板的受 力 分析 提供 理论 依据 。 1 盖板受力分析 取 图 1中盖板作为研究对象 ， 忽略与盖板焊接 处基层简体的变形 ， 分析的盖板受力示意图见 图 2 。 盖板受内压载荷后 ， 其危险截面为图 2所示 的 A - A、 B - B 和 C - C截 面 ， 盖 板 的实 际 受 力处 于 周 边 简 支 和 周 边 固支 之间 7 。 实际工程应用时可采用偏保守 的计算方法 ， 根 据材料力学及弹性力学理论推导出上述截面最大应 力 的表 达式 。 。 I 图 2盖板 受 力 示 意 图 A _ A 截 面 上 的 最 大应 力 处 于 盖 板 A A 截 面 的 上 表面 ， 其值 可 按下 式计 算 。 A 一1 3 p L ( 3 2 ) ( 1 ) 式 中， tT A m a x 为 A _ A 截面上 的最 大应 力， 为设计压 力 ， MP a ； L为盖板宽度 ， 为盖板厚度， mm。 A - A 截面上 的挠 度为 最 大， 其 值可 按下 式 计 算 。 YA = = = 5 p L ( 9 6 E 。 ) ( 2 ) 式中， 为 A - A 截面上 的最大挠度 ， mm； E 为设 计温 度 下材料 的 弹性模 量 ， MP a ， 可按 表 1选取 。 B - B截面的最大应力可按下式计算 。 一2 2 p L ( 3 2 ) ( 3 ) 式中， G B m a x 为 B - B截面的最大应力 ， MP a 。 C - C截面的最大应力可按下式计算 。 d c 一2 5 p L ( 3 2 ) ( 4 ) 式中， c 为 OC截面的最大应力 ， MP a 。 2 盖板有 限元模 型及验证 考虑盖板焊接结构 的特点， 根据几何模型建立 其有 限元模型示意 图， 见 图 3 。文 中取一组实 际尺 寸的盖板进行有限元分析口 u ， 以验证上述公式的 准 确性 。 软件采 用 An s y s 1 1 0 ， 取 锆材 的弹性 模量 为 9 7 1 0 0 MP a ， 泊松比为 0 3 5 。考虑到计算模型的对 称性， 建右侧 i 2盖板 的模型。盖板 的应力分布及 变形趋势见图 4 ， 验证 的结果见表 3 。 图 3 盖板有 限元模 型 表 3 盖板验证实例计算结果 图 4 盖板应力分布及变形趋 势 组 别 压力 宽度 厚度 按式 ( 1 ) 有 限元 按式( 2 ) 有限元 MPa L ram mm 计算 分析 计算 分析 2 5 4 0 3 1 8 0 6 1 6 3 1 1 2 7 1 2 4 2 5 4 0 4 1 01 6 9 8 9 0 5 4 0 5 9 2 5 5 0 3 2 8 2 1 2 4 1 9 3 1 0 2 8 1 2 5 5 0 4 1 5 8 7 1 4 5 7 1 3 1 1 3 1 4 0 4 0 4 1 6 2 5 1 5 8 2 0 8 6 0 9 4 4 0 5 0 4 2 5 3 9 2 3 3 1 2 1 0 2 0 9 4 0 5 0 6 1 1 2 8 1 1 5 8 0 6 2 0 7 4 6 4 4 0 4 2 6 0 0 2 5 3 1 1 3 7 1 5 1 6 4 5 O 4 4 0 6 3 3 7 2 9 3 3 5 3 3 5 6 4 5 0 6 1 8 0 6 1 8 5 3 0 9 9 1 1 9 1 竺 ! ! ! ! 竺 ! 按式( 3 ) 有 限元 按式 ( 4 ) 有限元 结 晕 3 强度核算分析与讨论 结果略偏保守 ，趋 势和有 限元 计算 结果是 一致 的。 压 瞑 异 川 因此 ， 式( 1 ) 式( 4 ) 可应用于工程实际。 比较式 ( 1 ) 、 式( 3 ) 和式( 4 ) 不难发现ml 1 3 ， 盖板 一 9 0 6 3 6 5 9 O 0 一 L 。 ； L 分一 蛆 侣 一 2 3 5 2 5 3 O 0 3 算 一 一 7 5 2 5 2 8 7 O 1 计 一 4 9 4 0 l 8 1 O 8 _ 一 3 1 5 3 3 4 2 5 7 lL 一 0 4 0 6 1 O 6 7 2 啼一 o ；& 仉 L 分一 ：2 蛆 蛆 ： 一6 9 4 6 0 7 O 0 5 苒一 一5 1 7 8 5 9 1 0 7 计 一0 7 7 6 7 2 9 4 8 一3 1 4 2 2 4 1 4 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 谢全利 ， 等 ： 锆一 钢复合板压力容器 A类焊 接接头用盖板受力分析 2 9 B - B截面和 C C截面的应力为一次加二次应力 ， A _ A 截 面应 力 为 一 次 弯 曲 应 力 ， 根 据 J B 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器 分析设计标准 ( 2 0 0 5年确认) 的强度校核条件 1 ， 有 ： O A m a x 1 5 ( 5 ) B 3 ( 6 ) O C m a x 3 ( 7 ) 式 中， 为设 计 温度 下 盖 板 材 料 的许 用 应 力， MP a ， 可按 表 2选取 。 从 式 ( 1 ) 、 式 ( 3 ) 式 ( 7 ) 可 以看 出 ， 式 ( 5 ) 起决 定 作用。将式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 和式( 5 ) 联立后可得 ： Y A m a x 5 E 1 L。 ( 2 6 E ) ( 8 ) 考虑到容器仅可在制造过程中检测盖板与金属 垫块之间的间隙 ， 且盖板材料的弹性模量是 随着温 度 的升高而降低的。因此 ， 计算许用 间隙时可采用 材料的常温弹性模量。 忽略 温度 对 间 隙的影 响 ， 根 据式 ( 8 ) 可得 ： r y 一5 L。 ( 2 6 E 3 ) ( 9 ) 式 中， r y 为盖板与金属垫块之间 的许用 间隙 ， 1 2 2 1 12 ； E为常温下材料的弹性模量 ， MP a ， 可按表 1选取。 4 结 语 在设计锆一 钢复合板压力容器如 图 1所示 的焊 接 接 头时 ， 盖板 与 金属 垫块 之 间 的间隙 不宜 过大 ， 应 限制在式( 9 ) 所计算的许用间隙之内。 当间隙无法满足式( 9 ) 时 ， 盖板需单独承受内压 载荷 ， 根 据式 ( 1 ) 和式 ( 5 ) 可 得 到盖板 的计算 厚度 ， 即 3 - - 0 5 2 L、 兀 上述结论 同样适用于锆材以外的其他金属材料 的工程实际强度核算 ， 建议相关标准收录。 参 考文献 ： 1 杨晓明，黄之军锆一 钢复合板制压力容器的结构设计 J 石油和化工设 备 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 0 1 3 ( YANG Xi a o - mi n g，HUANG Zh i j u n Th e Z i r c o n i u m S t e e l Re u n i t e s t he Co n s t r u c t i o n De s i g n o f t h e P l a n k S y s t e m P r e s s u r e C o n t a i n e r J P e t r o& C h e mi c a l Eq u i p me n t ，2 0 0 9 ( 4 ) ：1 0 1 3 ) 2 周耀 锆和锆合金在化工设备中的应用 J 化工设计， 2 0 0 3 ，1 3 ( 4 )：1 9 - 2 2，3 3 ( Z HOU Ya o Ap p l i c a t i o n o f Z i r c o n i u m a n d I t s Al l o y i n C h e mi c a l E q u i p me n t J C h e mi c a l E n i n e e r i n g D e s i g n，2 0 0 3，1 3 ( 4 )：1 9 - 2 2 ，3 3 ) 3 李献军 ，夏 峰 ，文志 刚 ，等工 业锆 产品 的性 能及 应 用 J 金属世界 ，2 0 0 9( 6 ) ： 1 0 0 1 0 4 ( LI Xi a n - j u n ，XI A F e n g，W EN Z h i g a n g ，e t a 1 Th e P r o p e r t i e s a n d Ap p l i c a t i o n o f I n d u s t r i a l Z i r c o n i u m P r o d u c t s J Me t a l w0 r l d ， 2 0 0 9( 6 ) ： i 0 0 1 0 4 ) 4 李 献 军 ，夏 峰 ，文 志 刚，等工 业 纯 锆 性 能 和 应 用 E C 第五届全 国腐蚀大会论文集 北京 ：中国腐蚀 与 防护学会 ， 2 0 0 9 ： 1 - 6 ( L I X i a n - j u n ， XI A F e n g ， WE N Z h i g a n g ， e t a 1 P r o p e r t i e s a nd Ap pl i c a t i on of I ndu s t r y Pu r e Zi r c oni u m c P r o c e e d i n g s o f t h e F i f t h Na t i o n a l C o n f e r e n c e o n Co r r o s i o n Be i j i n g ：Th e Ch i n e s e S o c i e t y o f C o r r o s i o n a n d Pr o t e c t i o n，2 0 0 9： 1 - 6 ) 5 NB T 4 7 0 1 1 -2 0 1 0 ， 锆制压力容器 S ( NB T 4 7 0 1 1 2 O 1 O Zi r c o n i u m P r e s s u r e Ve s s e l s 厂 S ) 6 王应植 ， 袁 彪 ， 张林 贤 ，等锆一 钢复合 板压力 容器 制 造技术研究I- 3 - 1 石油 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 6 ) ： 2 8 3 0 ( W ANG Yi ng - z hi ，YU AN Bi a o，ZHANG Li n- xi a n，e t a 1 S t u d y o f M a n u f a c t u r i n g Te c h n o l o g y o f Z i r c o n i u m- S t e e l C l a d P l a t e P r e s s u r e Ve s s e l J C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y，2 0 0 8 ，3 6 ( 6 ) ：2 8 - 3 0 ) 7 单辉 祖材料 力 学 ( I ) M 北 京 ：高 等 教育 出 版社 ， 2 00 4 ( S HAN Hu i z u Me c h