压力容器大开孔补强计算--压力面积法和有限元应力分析法VIP

第 4 O卷增 刊 1 2 0 1 1年 8月 石油化工没备 P ETRO CHE M I C AL EQUI PME NT Vo1 4 O Sup pl e me nt 1 Au g 20l 1 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 1 ) 增刊 1【 ) ( 1 9 O 5 压 力容器大开孔补 强计算 一 压力面积法和有限元应力分析法 杨福 昌 ，刘福 生 ，张述旺 ，李 红 ( 海工英派尔工程有 限公 司 ，山东 青岛 2 6 6 0 6 1 ) 摘 要 ：从 理论 分析 和 工程 实例 两方 面对压 力容 器大开孔 补 强计 算 的主要 方 法 压 力面积 法和 有 限元 应 力分析 法进 行分 析 比较 。结 果表 明 ， 有 限元 应 力分析 法较 压 力 面积 法安 全 、 成 熟 。 关键 词 ：压力容器；大开孔补强；压力面积法；有限元应力分析法 中 图分类 号 ：TH 4 9 ；T B 1 1 5 1 文 献标 志码 ： B Re i n f o r c e me nt De s i g n o f La r g e Op e n i n g s i n Pr e s s u r e Ve s s e l Pr e s s u r e Ar e a M e t h o d a nd Fi ni t e e l e m e n t S t r e s s An a l y s i s M e t h o d YANG Fu c h a ng，LI U Fu s he ng，ZHANG S hu wa ng，LI Ho ng ( Co o e c En p a l En g i n e e r i n g Co Lt d ，Qi n g d a o 2 6 6 0 6 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e p r i ma r y me t h o d s f o r r e i n f o r c e me n t d e s i g n o f p r e s s u r e v e s s e l s wi t h l a r g e o p e n i n g s a r e pr e s s u r e a r e a me t h od a nd f i n i t e e l e m e nt S t r e s s a na l y s i s - m e t ho d The t wo me t h o ds ha ve be e n a n a l y z e d wi t h t h e o r y a n a l y s i s a n d p r o j e c t e x a mp l e Fi n a l l y ，t h e c o n c l u s i o n i s t h a t f i n i t e e l e me n t s t r e s s a n a l ys i s me t h od i s m o r e s a f e a nd ma t u r e t h a n pr e s s u r e a r e a me t ho d Ke y wo r d s ：p r e s s u r e v e s s e l ；r e i n f o r c e me n t o f l a r g e o p e n i n g；p r e s s u r e a r e a me t h o d；f i n i t e e l e me nt s t r e s s a na l y s i s 在压力容器的设计过程 中， 设计者经常遇到壳 体大开孔补强的设计计算问题 。GB 1 5 0 1 9 9 8 钢 制压力容器 规定容器壳体开孔范围为 ： 当其壳体内 径 D 1 5 0 0 mm 时 ， 开 孔最 大直 径 d 3 D。 2 ， 且 d 5 2 0 mm； 当其壳 体 内径 D l 5 0 0 mm 时 ， 开孔 最 大直 径 2 D 3 ， 且 1 0 0 0 mml_ 1 。本 文 中所 指 大开 孔 即为 超 出 GB 1 5 O 一 1 9 9 8 钢 制 压 力 容 器 适 用 的开孔 范 围 的开孔 。 目前 ， 压 力容 器 大 开 孔 的补 强计 算 方 法 有 压 力 面积 法和 有 限元应 力分 析法 2 种 。 1 大开孔强度分析 压力容器壳体开孔以后， 其壳体开孔边缘形成 了 比较 复杂 的应 力状 况 ， 可 引起 3种应 力 ： ( 1 ) 局部薄膜应力 压力容器壳体一般 承受均 匀的薄膜应力 ， 即一次总体薄膜应力 。壳体开孔 以 后 ， 不仅使壳体开孔截面的承载面积减少， 而且使该 截 面 的平 均 应 力 增 大 且 开 孔 边 缘 应 力 分 布极 不 均 匀 。在 离开 孔边 缘较 远处 ， 应 力几 乎没 有变 化 ， 增 大 的应力 集 中分 布在 开孔 边缘 。由此在孔 边 引起很 大 的薄膜应力 ， 即局部薄膜应力 。此应力引起 的失效 称 为静 力强 度失 效 。 ( 2 ) 弯 曲应 力 容器 开孔 以后 ， 一般 总需 设置 接 管或人孔 ， 即有另一个壳体与之相贯。相贯的 2个 壳体在压力载荷作用下 ， 各 自产生的径向膨胀 ( 直径 增 大 ) 通 常是 不 一致 的 ， 为使两 部件 在连 接点 上变 形 相协调 ， 则必然产生一组 自平衡 的边界内力( 包括横 剪力与弯矩) 。这些边界 内力将在壳体 的开孔边 缘 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 2 2 8 作者简 介 ：杨福 昌( 1 9 8 1) ， 男 ， 山东 泰安 人 ， 工程师 ， 硕士 ， 现从事 压力容器设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 O 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 O卷 及 接管端 部 引起 局 部 的 弯 曲应 力 ( 属 于二 次 应力 ) 。 此应 力 引起 的失效 称 为塑 性 疲 劳 破坏 ( 大 应 变疲 劳 破坏 ) 。 ( 3 ) 峰值应力 在壳体开孔边缘与接管的连接 处 还会产 生一 种 由于应 力集 中现象 造成 的分 布范 围 很小， 但数值可能很高的应力 ， 称为峰值应力。此应 力 主要 引起疲 劳破 坏 。 在 开 孔 压力 容 器 中 ， 上述 几 种应 力 虽然 同时存 在 ， 但 其破 坏 的发 生 则 是 与加 载 方 式 ( 加 、 卸 压 循 环 次数) 密切相关的。因此， 压力容器强度设计首先应 根据容器使用条件和加载方式( 一次、 多次或反复加 载) 考虑可能发生的破坏形式， 然后确定所应计算的 应力 ， 并按不同的应力性质区别对待 ， 使设计经济合 理 ， 以确保 容器 的安 全使用 。 2大开孔补强计算方法 2 1 压 力面积 法 压力面积法是文献E 3 中对 大开孔补强计算 的 方法 ， HG 2 0 5 8 2 1 9 9 8 d 钢 制化 工 容 器 强度 计 算 规 定 也对 压力 面 积 法进 行 了 阐述 。压 力 面 积法 主 要考虑在有效补强范 围内由压力 产生的载荷与 圆 筒 、 接管、 补强元件等有效截面的抗拉承载能力相平 衡 的计算 方法 。计 算 只 涉及 补 强 材 料 的薄 膜 应 力 。 圆筒 形壳 体 的开-f L ； I“ 强示 意见 图 1 。 图 1 圆 筒 形 壳 体 开 孔 补 强 不 意 图 压力面积法需要满足的条件如下 ： ( A p T , 3 ( 1 ) 其中 A。 一A 。 +A +A。 。 式中， A 为补强有效范围 内的压力 面积 ，A。为补 强有效范围内的壳体 、 接管、 补强金属的截面积 ， A 为壳体上开孔 区有效承压金属面积 ， A 为接管上开 孔 区有 效 承 压金 属 面 积，A 。 为 补 强 金 属 面 积， mm。 ； p为设 计压 力 ， 为壳 体材 料许 用 应力 ， M Pa。 2 2 有限元应力分析法 有 限元 应 力 分 析 法 是 一 种 以有 限 元 分 析 软 件 ( An s y s ) 为手 段 ， 以弹 性 应 力 分 析 和 塑 性 失 效 准 则 为基础 的应力 分类 设计 方法 。应力 分类法 是 当今 分 析设计 的主流方 法 ， 通过 对危 险截 面的线 性化处 理 ， 可对 大开孔 局部 薄膜应 力和 总应力 是否满 足强 度要 求做 出判 断 。其 特点是 ： ( 1 ) 要求对压力容器及其部件进行详细的弹性 应力分析 ， 可以采用理论分析、 数值计算或试验测定 来进行弹性应力分析。 ( 2 ) 强 度校 核时采 用塑性 失效 准则 ， 包 括用 极 限 载荷 控制 一次应 力 以防止 整体塑性 垮塌 失效 。用安 定载荷控制一次加二次应力 、 用疲劳寿命控制最大 总应 力 以防止循 环失 效等 。 ( 3 ) 根据塑 性失效 准则 对弹性 应力 进行 分类 。 ( 4 ) 根据等安全裕度原则确定危险性不 同的各 类 应力 的许用极 限值 。 应用 An s y s 软件进行应力分析时， 应力线性化 由内嵌在 An s y s 软件计算结果数据后处理 中的程 序 完成 ， 它 首先 要 求 沿 壁 厚 拾取 起 、 止 2个 端 点 并 确 定计 算 路 径 。此 后 软 件 系 统 在 路 径 上 通 过 内插 法 自动生 成 4 7个 插 值 点 ， 并 把 计 算 结 果 映射 到路 径 上 ， 然 后 运 用 软 件 内 置 计 算 公 式 进 行 应 力 分 类 。 AS ME 锅炉 及 压 力 容 器 规 范 ( 2 0 0 7 ) 一 l附 录 中的大 开孔 补强方 法应按 照 图 2定 义 的限制范 围 由 以下公 式进 行计算 ： P ,11 = l l L A 。 J ( 2) P 一 ( 3) M 一 ( + R R e ) 户 ( 4 ) 式 ( 2 ) 式 ( 4 ) 中 ， A 为 图 2中 阴影 线 区 域 的 面积 ， mm ； j为图中阴影线 区域的面积对中性轴的惯性 矩 ， m k g S 。 ； n为 图 2中阴影 线 区域 面积 的 中性 轴与容器壁内表面的距离 ， R 为壳体的平均半径， R 为接管颈的平均半径 ， e为图 2中阴影线区域面 积的中性轴到壳壁 中面处 的距离 ， mm； P 为一次 总体薄膜应力 ， P 为一次弯 曲应力， MP a 。其余来 解释参数意义见图 2和文献E T 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增 刊 1 杨福 昌， 等 ： 压力容器 大开孔 补强计算 2壳 体 开孔 补强 的 限 制 范 围 文献E 7 中应力强度的许用极限必须满足 ： P P P +Pb 1 5 P 式中， P 为一次总体薄膜应力的许用应力 。 在文献E T 的基础上， J B 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力 容器 分析设计标准 又对应力强度的许用极 限 补充 了关于 P ( 局部薄膜应力 ) 和 Q( 二次应力) + P， +Pb 组合应力 的限制 ： P 1 5 4 E P ， P +Pb +Q3 P ( 6 ) 3 工 程 实 例 某炼油工程加氢单元 中有一台预碱洗罐 ， 操作 介质为汽油 、 碱液 ( 质量分数 1 8 ) ， 设备壳体 和大 开孔 接管 均采 用 2 0 R板 材 ， 接 管 与 筒体 采 用 全 焊透 结构 。为 避免 尖角 过渡 ， 接 管与简 体 连接 内 、 外 壁 间 采用 r = = = 1 0 mm 圆角过 渡。该预碱 洗罐设 计压力 一0 9 5 MP a ， 设计温度 t 一6 0， 腐蚀余量 c 取 3 m m ， D1 3 60 0 mm ， l 一 2 0 mm ， Ll = = = 8 0 0 0 mm ， D2 = = = 1 1 0 0 mm， 2 3 6 mm， L 2 3 0 0 mm。该 预 碱 洗 罐示 意 图见 图 3 。 ， 图 3预 碱 洗 罐 结 构 尺 寸 不 图 为 比较 压 力 面 积 法 和 有 限 元 应 力 分 析 方 法 不 同， 以此预碱洗罐 的大开孔为例 ， 采用 2 种方法分别 进行 校 核 。 3 1 压力面积法校核 采 用压力 面 积法 的计 算结 果 见表 1 。 由表 1的 数据 可 知 ， 各参 数 均满 足 式 ( 1 ) 的要 求 ， 所 以设 备 开 孔 的设 计 强度 满 足要求 。 表 1 预 碱 洗 罐 大 开 孔 压 力 面 积 法 强 度 校 核 结 果 3 2 有限元应力分析法 应 用有 限元 应力 分析 软件 An s y s 及本 例 相 关参 数进 行 分析 。本 例 中大开 孔具 有对 称性 ， 故 采用 1 2 实体 模 型建模 。 结构采用 An s y s软件 中 2 O节点三维实体单元 S OI I D 9 5 ， 网格 划 分见 图 4 。 位移 边界 条件 为 ： ( 1 ) 圆筒体 的一端所有 的节点施加固定约束 ， 限 制 轴 向位 移为 0 。 ( 2 ) 对 称 的剖分 面施 加对 称 约束 。 载荷边 界 条件 ： ( 1 ) 在圆筒体的另一端施加等效面力 ， 其计算式 如 下 ： q 一 P c 从 q一 南 (8) 式( 7 ) 中式( 8 ) 中， 为计算压力 ， MP a ； D。 为筒体 外径 ， D 为筒体内径 ， D。 为接管端部外径 ， D。 N 为 接管 端部 内经 ， mm。 简体与接管的内表面施加 内压 0 9 5 MP a ， 温度 6 0 。 有 限元 计 算得 到 的节点应 力 图见 图 5 。 由于 大开 孔应力 分 析 中 ， 二 次 应力 占较 大 成分 ， 所 以运 用线 性 化处 理 ， 在 危 险截 面沿壁 厚方 向选 取 3 条 路径 进行 分析 ， 分 析路 径见 图 6 。 3条路径进 行应力线性化 处理的结果见 图 7 ( 2 ) 在接管的端部施加等效面力， 计算式如下 ： 由图 7 图 9可知 ， 危险点应在接管外壁与筒体 外壁相贯处 。其各类应力最大值见表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 石油化工设备 2 0 1 1年第 4 0卷 图 4网格 划 分 图 图 5 有 限元计算 的节点应力 图 图 6 危 险截 面路径划分 2 7 4 4 2 6 6 6 7 8 2 5 8 5l l 2 5 0 3 4 4 2 4 2 1 7 7 2 3 4 0】 2 2 58 43 21 76 7 6 2 0 95 O 9 2 01 3 42 1 9 3 1 7 5 图 7 路径 1 线性化应力 由图 7 图 9和表 2可以看出， 本预碱洗罐大开 孔一次局部 薄膜应力强度 P 和一次薄膜加一次弯 曲应 力强度 P。 +P 均不 能满足许 用极限值 的要 求 。只有一次加二次应力强度( P +P +Q) 满足其 许用极限要求。因此 ， 按有限元应力分析结果 ， 本例 结构不 能满 足强度 要求 。 I T I l 3 5 9 0 5 5 L I R I 3 4 7 3 6 8 S E C T I O N P L O T 3 3 5 4 7 8 0 ) 2 1 = 3 4 =3 5 91 9 主 3 2 3 6 8 8 31 1 8 9 8 3 O 0 1 08 2 8 8 31 8 2 7 6 5 28 2 6 4 7 38 2 5 2 9 48 2 41 1 58 图 8 路径 2线性 化应力 1 1 3 5 5 6 9 l iB = L 3 41 97 4 3 2 8 25 7 NOI r ) 量 。 l 28 7 1 0 6 2 7 3 3 8 9 2 5 9 6 7 2 2 4 5 9 5 5 23 2 2 3 8 2l 8 5 21 SYS 2 0 01 60 0 4 0 9 3 4 l 8 6 8 2 8 0 2 3 7 3 6 4 6 7 0 4 图 9 路径 3线性化应力 表 2 预 碱洗罐大 开子 L 有 限元法应力分析的各类应力 强度 最 大 值 MPa 3 3 两种设计方法的比较 对于本 例 ， 运 用 压 力 面 积 法 计 算 补 强 满 足 强 度 要求 。而运 用 有 限元 应 力 分 析 法 ， 补 强 则 不 能 满 足 强度 要求 ， 说 明在 进行 大开孑 L 补 强计 算 时 ， 只考 虑 薄 膜应力是不够的， 还要考虑弯 曲应力。局部薄膜应 力 和二次应 力对 开孔 补强 的影 响 。 4 结语 ( 1 ) 压力面积法只考虑薄膜应力， 对大开孔补强 校核不够全面。有限元应力分析法则在压力面积法 的基础上， 对其进行完善 ， 充分考虑了弹性应力和塑 性失效准则 。 ( 2 ) 有 限元应 力分 析法 较压 力 面积 法保 守 、 安 全 和成 熟 。 ( 3 ) 在具体的工程设计 当中， 对于大开孔设计应 取较大的安全裕量和系数 ， 在设计环节要严格控制。 三 翟 、 9 O E D 一 一 E 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 O卷增 刊 1 2 O 1 1年 8月 石油化工设备 PETR0一 CHEMI CAL EQUI P MENT Vo1 4 0 Su pp l e me nt 1 Aug 2 011 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 1 ) 增 刊 1 - 0 0 2 3 0 4 压力管道设备开孑 L 补强计算方法探讨 曲忠奎 ，郭 磊 ，王 枫 ，张倩 ( 中国石油天然气管 道工程有 限公司 ，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要 ：介绍 了压力管道设备的开孔补 强计算方法， 包括采 用压力容器的开孔补 强计算方法和采用 压 力管道 设备 标 准规 定的 开孔补 强 计算 方法 两种 。论 述 了这 两种 方 法 的特 点 和 应 用 范 围 ， 详 细 介 绍 了它们 之 间的相 同和 不 同点 以及 实 际应 用 时应 注意 的地 方 。 关 键 词 ：压力管道；设备；开孔补强；计算方法 中图 分类 号 ：T E 9 7 3 文献标 志码 ： B Di s c u s s i o n o f Ca l c u l a t i o n M e t ho d o f Op e ni n g Re i nf o r c e me n t f o r Pr e s s u r e Pi pe l i ne Equ i p m e n t Qu Z h o n g - k u i ，GUO Le i ，WANG F e n g ，Z HANG Qi a n ( Chi n a Pe t r ol e u m Pi pe l i ne Eng i ne e r i ng Cor po r a t i on，La n gf a ng 06 5 00 0，Ch i na ) Ab s t r a c t ：Th e p r e s s u r e p i p e l i n e e q u i p me n t S o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c u l a t i o n me t h o d s ，i n c l u d i n g t h e p r e s s u r e v e s s e l o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c u l a t i o n me t h o d a n d t h e o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c ul a t i o n m e t h o d of p i pe l i ne e q ui p m e nt s t a n da r d s we r e i nt r o du c e d The c h a r a c t e r i s t i c s a nd r a n g e o f a p p l i c a t i o n s wa s ma i n l y d i s c u s s e d ，a n d t h e s a me a n d d i f f e r e n t b e t we e n t h e m a n d wh a t s hou l d p a y a t t e n t i o n t o i n p r ac t i c a l a pp l i c a t i o n we r e i nt r o du c e d Ke y wo r d s ：p r e s s u r e p i p e l i n e ；e q u