压力容器管嘴受力校核方法VIP

吴海军 压力容器管嘴受力校核方法 2 9 压力容器管嘴受力校核方法 吴海军 天津津滨石化设备有限公司 天津3 0 0 2 7 1 摘要 介绍压力容器管嘴的受力校验方法，主要从压力容器管嘴的连接形式和常见失效方式人手， 有针对性地提出管嘴受力校验方法 ，并剖析各种方法的适用范围和可靠性，提出改善管嘴承载能力的有效 措施 。 关键词 压力容器管嘴受力校核方法措施 1 概述 当外部连接管道对压力容器的管嘴作用力过 大时，可能会造成设备变形，局部应力过大会引 起生根处开裂 ，以及连接处法兰泄漏等情况。因 此，应当严格控制管嘴受力，将其限制在允许范 围内。 对于一些特殊的压力容器 ，制造厂可能会提 供设备的允许受力范围。但是，对于普通的压力 容器而言，其管嘴受力往往需要具体分析。本文 主要介绍常见压力容器 的管嘴受力校核方法 ，并 提出改善管嘴承载能力的有效措施。 2 管嘴的连接形式 2 1 法兰连 接 由法兰、垫片、螺栓三者组成一整套可拆卸 的连接结构 ，在石油和化工装置中的应用十分广 泛。其优点是拆卸方便，便于设备检修和安装， 但缺点是如果连接密封不好 ，很容易造成介质 的 泄漏，引起污染甚至引发火灾等。 2 2 对焊连接 对焊连接方式在 自身强度足够的情况下 ，不 存在泄漏的问题。常用于高压设备、对防止泄漏 要求比较高，以及无需经常拆卸的管嘴。 3 管嘴的主要失效形式 3 1 法兰泄 漏 当压力容器管嘴采用法兰连接时，在工作状 态下 ，承受内压及较大的外载荷 ，可能会造成法 兰及其螺栓、垫片组成件所构成 的密封副泄漏 。 3 2 设备变形及局部开裂 当设备管嘴受力过大时，可能引起容器局部 变形 ，甚至由于容器与管道连接开孔处 的局部应 力过高，造成管嘴生根处开裂。 4 管嘴受力校核的常用方法 结合管嘴的主要失效形式 ，我们可 以了解到 对于管嘴的受力校核重点集 中于两方面 ：一是对 法兰泄漏的校核；二是对容器开孔处应力的校 核。 在多数情况下 ，容器与管道 的法 兰连接只要 满足防止泄漏的校核 ，容器开孔处的应力便能够 满足要求。因此 ，对于法兰式管嘴 ，重点在于法 兰泄漏 的校核 ；而对于焊接型管嘴 ，重点在于校 核管嘴开孔处的应力。 4 1 法兰泄漏的校核 对于防止法兰泄漏有一些经验性的做法 ，例 如一般认为法兰连接处 的应力不 大于 7 0 MP a便 可以接受。实际分析表明 ，该方法在管径不大时 基本适用 ，当管径较大时可能偏于保守 ，因此需 要借助更为精确的校核方法。为了便于分析说 明 ，法兰管 口坐标见图 1 。 十 吴海军：工程师。1 9 9 8年毕业于抚顺石油学院化工设备与机械专业。一直从事设备制造和安装工作。 联系电话 ： ( 0 2 2 ) 6 3 8 0 5 78 2。 C HE MI C A L E NG I N EE R I N G D E S I GN 化 工设计 2 0 0 8 ， 1 8 ( 6 ) z _ 1 I x 图 1法兰管口坐标 4 1 1 A S ME N C一3 6 5 8的校核方法 此方法较为简便而被广泛采用， 但一般认为 该方法较为保守。具体计算公式为： P一 +竺 一 仃D 。仃D P Pl+ 式中，P 。 。 为当量压 力 ，MP a ；P为 法兰设计压 力，M P a ； P 为管道设计压力，M P a ； F为法兰 承受的轴向拉力 ( 不包括内压产生的拉力) ，N； D 为垫片压紧力作用中心圆直径 ，mm，近似等 于垫片接触 面的平均直径。详细定义 可参见 钢制压力容器 ( G B 1 5 01 9 9 8 )的9 5 1 2 节；M为法兰承受的合成弯矩 ，N m。 M= 、 法兰设计压力 P主要是针对标准法兰而言 ， 与法兰的材质、法兰等级以及使用温度有关，可 以从相应的标准中查得。 对于如图 2所示的斜法兰管口，法兰承受的 合成弯矩 M需要将力和力矩分解到 x 轴和 z 。 轴后再合成，即： M L= M s J n o tM ： CO S O M= 、 F ： F C O S O F： s i n s 图2 斜法兰管口坐标 上述方法适用于标准法兰的校核计算 ，不适 用于松式法兰。 实际工程设计中，可以借助 C A E S A R I I 程序 先计算出管道作用于管嘴法兰的力和力矩，折合 为当量压力，并与管道设计压力相加作为法兰的 设计压力 。通过法兰的强度校核后 ，再确定法兰 等级 ，或特殊设计法兰。 4 1 2 法兰的强度计算方法 对法兰的精确验算侧重于强度计算，主要是 按照弹性理论进行 的。目前 国 内外多采用 的是 Wa t e r s 法 ，基本上是按照国家标准 钢制压力容 器( G B 1 5 0 1 9 9 8 )的规定进行计算。 法兰的刚度、密封面型式、螺栓预紧力、垫 片性能都直接影响到法兰的密封效果。因此 ，在 精确验算时，都需要考虑到。通过法兰强度计算 的程序，可分别计算出其轴向应力、径向应力、 环向应力和综合应力 ，与对应的许用应力 比较， 即可判断法兰的强度是否满足受力要求。如果采 用 C A E S A R II 程序时，就可以直接运用附带的 F l a n g e 程序，直接计算出法兰密封副的整体强 度。 为了强化计算， Wa t e r s 首先对一些条件进行 假设： 假定法兰并不产生塑性变形和蠕变，只 发生弹性变形；假定螺栓给予法兰的外力矩被 认为是均匀作用在法兰外圆周上的力偶；略去 法兰螺栓孔对法兰强度的影响 ；略去操作压力 的引起 的膜应力。 作出这样的假设后，得到的计算结果在直径 D N1 5 0 0 mm的情况下 ，还是 比较满意的。故 目 前法兰计算都采用此类方法。 4 1 3 有限元分析法 采用 Wa t e r s 法有假设条件 ，而且 往往考虑 不到应力集中的情况。然而，应力集中很难用理 论方法求得解析解。因此 ，工程设计中有时也采 用 A N S Y S 有限元分析程序对法兰受力情况详细 分析 ，并模拟出法兰挠性变形的情况。根据计算 结果，评估法兰密封的可靠性。 4 2 容器开口处的应力校核 4 2 1 凯洛格 ( K e l l o g g )的近似公式 凯洛格公司给出以下的计算方法，当 盯 时结果是可靠的。 =0 8 3 ( D T ) 。 ( t r ) ( F l+1 5 F 2 ) Fl=M J 吴海军 压力容器管嘴受力校核方法 3 l = 0 0 1 F I A = 1 2 5 IT +0 2 5 IT ) 式 中， 为管 嘴应 力，MP a ；D 为 容 器 内径 ， m m；T为容器有效壁 厚 ( 包 括加强圈的厚度 ) ， e m；t 为管 嘴的壁厚 ，c m；F ，为管嘴 的弯矩 应 力，M P a ；M为管嘴的弯曲力矩，N m；J 为管 嘴的断面 系 数 ，c m ；F 为管 嘴 的轴 向应 力 ， MP a ；F为管嘴的轴 向力 ，N；A为管 壁 的截面 积 ，c m ；仃 为管材 的热胀许用应力范围 ，MP a ； 盯 h 、 。 分别 为热态和 冷态下管 嘴材 料 的许用 应 力 ，MP a ；f 为在设计工 作年 限内，根据 管道伸 缩的总循环次数确定的应力降低系数 ，对于石油 化工厂装置 ，冷热循环次数低 于 7 0 0 0次 ，故一 般情况下取 l 。 4 2 2 WR C一1 0 7的计算方法 与容器相连的管子 的载荷在容器壁上会产生 薄膜应力和弯矩应力，这些应力通常是根据 A S M E锅炉和压力容器标准的第部分的第二节 来评估的。 如不采用有限元分析法进行详细计算是无法 精确计算出容器壁上的局部应力值的。较好的计 算方法就是将有限元的分析结果参数化。目前 ， 应用最多的有限元参数化法是基于美国焊接研究 学会第 1 0 7公告 的 WR C一1 0 7法。该方法可以用 来评估和分析圆筒型和球形容器附件生根处的局 部应力。在许多设计计算软件 中，都集成有 WR C一1 0 7程序。下面主要结合管道应力分析软 件 C A E S A R I I 中的 WR C一 1 0 7 程序，介绍核算管 嘴生根处局部应力 的过程。 第 1 步：检查几何尺寸限制，以确定 WR C 一 1 0 7是否适用于弹性分析。 0 0 5 7 1 5 0 式中，D 为管嘴公称直径 ；D 为容器 的公称直 径 ；T 为容器的壁厚。 管嘴的中心线与容器的中心线相互垂直。 第 2 步：输入容器的管嘴的方向矢量。 ( 1 )容器方向矢量是其 中心线方向，其正 方向为从 B到 A。 ( 2 )管嘴 的方 向矢 量的正方 向为从 容器管 嘴连接处指向容器中心线相连的矢量，见图3 。 容器方向矢量 一 图 3 容器与管嘴方 向矢 量 由图 3可知 ，容 器 的 方 向矢 量 可 以 写 成 ( 0 0， 一1 0，0 0) ；而 管 嘴 的 方 向 矢 量 为 ( 1 0，0 0 ，0 0 ) 。 除了对封头上的管嘴，这里的容器中心线必 须是沿着与管嘴相垂直 的方 向。 第 3步：输入管嘴在持续载荷工况和热胀工 况下受到的力和力矩。当然 ，有时也可能还需要 输入偶然工况下的参数。 第 4步：决定 是否要考虑压力推力 的影响。 通常是需要考虑压力推力的。如果管嘴生根处距 离固定点比较适当时，可以不必考虑其影响。 第 5 步：运行程序，计算出一次总体薄膜应 力P ，一次局部薄膜应力 P 和二次应力 Q 。 第 6步 ：评估管嘴承受的载荷在容器器壁上 引起的应力是否在允许范围内。必须满足 3个条 件： P 勋 Jtl +Pl 1 5 Qr , P +P l +Q 1 5 ( +O m h ) 式中，P 为一次总体薄膜应力 ；P 为一次局部 薄膜应力 ；Q为总的二次应力 ；K为载荷应力 因 子， 一般情况下取值为 l ，考虑偶然载荷取值为 1 2 ； or 为热态材料许用应力； 。 为冷态材料 许用应力。 在使用 WR C一1 0 7的过程中，需要注意是 该方法计算的是管嘴在容器壳体生根处的应力， 而不是管嘴壁上的应力 。在有些情况下 ，管嘴壁 上的应力可能比容器壁上的大。这时 ，需要单独 计算管嘴壁上的应力。 4 2 3 有限元分析法 当采用 WR C一1 0 7方法 受到几 何尺 寸 限制 或需要进一步计算管嘴的峰值应力及作疲劳分析 时，我们还是需要借助有限元分析 A N S Y S软件 对管嘴及其在容器生根处应力进行详细分析。 L Y 3 2 C H E MI C A L E N GI NE ER I NG DE S I G N 4 z - 设计 2 0 0 8 ， 1 8 ( 6 ) 5 改善管嘴承载能力的措施 根据上述分析，可 以认为管嘴受力校核是 比 较复杂的，但是为了方便工程计算， 应当根据具 体情况 ，尽可能地首先采用便捷可靠的方法 ，然 后在选择精确复杂的详细计算方法。根据管嘴受 力的计算结果，可以有针对性地改善管嘴的受力 状况。 5 1 法兰管嘴 对于法兰管嘴 ，主要是解决好法兰的泄漏问 题。 ( 1 )提高法兰的压力等级，即提高法兰刚 度，增强其承载能力。 ( 2 )提高法兰的材料等级，即提高法兰的 许用压力。例如 2 0 # 钢的强度 比 A 1 0 5钢低 ，故 2 0 # 钢的法兰许用压力也低。为了提高法 兰的许 用压力，可以采用A 1 0 5 钢的法兰。 ( 3 )正确选择法 兰密封副材料，增加密封 效果。例如高压力等级的法兰往往采用金属垫承 受较高的密封比压。而金属垫硬度应比法兰密封 面硬度至少低 H B 3 0 ，因此，不 同材料法兰连接 时，垫片应按低硬度法兰选用，否则，低硬度法 兰密封面易受到损伤 ，导致密封失效。 ( 4 )增强管道柔性 ，降低法 兰所 承受 的管 ( 上 接 第 4 6页 ) 工序除尘冷却水的闭路循环，以及采用自主研发 的 自控装置 ，解决 造气洗气塔无气用水 的问题 ， 减少用水量约 2 0 ，冷却水循环使用率达 9 9 以 匕 。 5 结语 我国是资源相对比较缺乏的国家，资源和环 保的压力都很大，企业必须转变长期粗放型的增 长方式，按照减量化、再利用、资源化的原则， 坚持源头控制、节能减排、末端治理、确保达标 的基本 目标 ，贯彻科学发展观，以尽可能少的资 源消耗和环境代价，取得最大的经济产出，推进 氮肥行业产业结构调整，实现经济与环境的可持 续发展。 道作用力。 ( 5 )根据法 兰受力情 况，通过 强 度计 算， 特殊设计管嘴法兰。尤其是对于承受高压的管嘴 法兰 ，通常都需要详细的强度计算。 ( 6 )选择合适的螺栓材料 ，增加密封效果。 5 2 焊接管嘴 对于焊接管嘴 ，一方面要解决好管嘴 自身的 强度 ；另一方面要解决好管嘴在管壁生根处的局 部应力问题。主要方法有 ： ( 1 )采用管嘴整体补强措施，如设置加强 型管嘴。 ( 2 )在容器生根处采用 合适 的补强 圈，增 加器壁局部强度。 ( 3 )增强管道柔性 ，降低管嘴受力。 参考文献 1 唐永进 压力管道应力分析 M 北京：中国石化出 版社 2 岳进才编 压力管道技术 M 北京：中国石化出版 社 3 张德姜，赵勇主编 石油化工工艺管道设计与安装 M 】 北京：中国石化出版社 4 C B 1 5 0 1 9 9 8 ， 钢制压力容器 s 5 H C T 2 0 6 4 5 1 9 9 8 ， 化工