压力容器壳体局部应力计算方法分析

设 计 与 结 构 压力容器壳体局部应力计算方法分析 Analysis of Local Stress Calculation Methods for Pressure Vessel Shells 中国石化工程建设公司 段 瑞 本文对接管外载荷作用下壳体中局部应力的计算方法进行了分析比较,并对这种应力的限制 范围提出了建议。 关键词:压力容器 局部应力计算 分析 1 引言 容器壳体接管上承受着各种外部载荷(力、力 矩、扭矩 ) , 有时这些外载荷比较大(设备规格书 中应提出作用于相应管口或附件上的外载荷的大 小 ) , 此时会在接管或壳体中产生较高的局部应力。 为了容器的整体安全,必须对接管或附件壳体的局 部应力进行计算,并限制其不超过一定的极限。由 于局部外载荷的多样性及局部应力计算的复杂性, 目前国内外压力容器设计规范中主要受压元件的计 算,都未包括外载荷引起的局部应力的计算。 虽然各国压力容器标准的正文中,没有包括外 载荷 引 起 的 局 部 应 力 的 计 算 方 法,ASME、 PD55003等标准的非规定性附录中都提出了指导性 的参考文献。其中广为国际工程界应用的有美国焊 接研究协会(Welding Research Council)第107号公 报1,第297号公报2及英国标准PD55003附录G 等。 由全国化工设备设计技术中心站编制的国内具 权威且广泛应用的过程设备强度计算软件包 SW6 - 984,就是采用了WRC107及WRC297的计 算方法,同时增加了介质压力对局部应力计算的影 响。 笔者因工程设计需要,使用了SW6 - 98局部 应力计算软件,并从中得到某些启示。本文试图从 WRC1071与WRC2972的适用范围与功能的对比、 SW6 - 98局部应力程序的应用与分析等方面进行论 述并提出几点结论。 2 WRC107与WRC297的适用范围与功能对比 根据资料介绍,WRC107与WRC297的适用范 围与功能对比见表1。 表1 WRC107WRC297 适 用 范 围 球 壳 径向实心圆形附件 径向实心正方形附件 径向空心圆形附件 (如接管) 径向空心正方形附件 柱 壳 径向实心圆形附件 径向空心矩形附件 径向空心附件(如接管) 功能 只可以计算附件与壳 体相贯处壳体上的局 部应力 不仅可计算附件与壳体 相贯处壳体上的局部应 力而且可以计算接管上 的局部应力。 3 局部应力计算实例及分析 将工程中的一实例,分别用WR107、WR297 两种方法计算(用SW6 - 98软件进行计算 ) , 接管 上外载荷及其作用的方向见示意图1。其中包括: V1 纵向(筒体轴向)水平剪力,N V2 环向(筒体周向)水平剪力,N 82 M1 环向(筒体周向)弯距,N mm M2 纵向(筒体轴向)弯距,N mm Mz 扭距,N mm Fz 径向力,N 311 按WRC107计算 31111 计算输入数据见表2。 31112 计算结果 (1)接管根部壳体应力见表3: 最大表面应力Smax= 20816 2 = 166MPa 最大膜应力Smax= 16518 112 (2)补强圈边缘壳体应力见表4: 最大表面应力Smax= 291 2 图1 表2 设计压力 (MPa )210FZ9344100 设计温度()215V1- 12603100 柱壳内径( mm) 1800V2347100 柱壳公称厚度 (mm )16M1- 30697000100 柱壳壁厚附加量( mm) 213M294400000100 柱壳材料16MnR + 00Cr17Ni14Mo2Mz- 16212000100 接管外径(mm)634补强圈外径 (mm )980 接管材料00Cr17Ni14Mo2补强圈厚度( mm) 16 接管厚度(mm)22(厚壁管)柱壳材料许用应力 (MPa )166 接管伸出长度 (mm )0100接管材料许用应力(MPa)106 接管厚度附加量(mm)115 表3 接管根部壳体表面应力(MPa)接管根部壳体膜应力(MPa) 位置AuAlBuBlCuClDuDlAmBmCmDm 周向应力代数和 (MPa )611614119208161231119217831981161741810118165181381312812 轴向应力代数和( MPa) - 22181251416212311104115411341977105113821679115519 剪应力代数和(MPa)- 019- 019- 019- 019- 113- 113- 014- 014- 019- 019- 113- 014 当量应力(MPa)8414142208161231119217831981161741810118165181381312812 注: Au、Al; Bu、Bl ;Cu、Cl; Du、Dl分别代表接管与壳体相贯处A、B、C、D的外表面和内表面, Am、Bm、Cm、Dm分别代表接管 与壳体相贯处A、B、C、D的中截面。 表4 补强圈边缘壳体表面应力 (MPa )补强圈边缘壳体膜应力( MPa) 位置AuAlBuBlCuClDuDlAmBmCmDm 周向应力代数和 (MPa )59171411221314127291- 101816152371110015170121401112618 轴向应力代数和 (MPa )- 43141371518317- 911161114019- 1197612478713101103711 剪应力代数和(MPa)- 018- 018- 018- 018- 114- 114- 012- 012- 018- 018- 114- 012 当量应力(MPa)10311141142131413612291511718142371110015170121401112618 = 166MPa 最大膜应力Smax= 17012 112 312 WRC297计算 31211 计算输入数据见表2 31212 计算结果 (1)接管根部壳体应力见表5: 最大表面应力Smax= 213128 2 = 166MPa 92 第18卷第6期 压 力 容 器 总第109期 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 最大膜应力Smax= 168143 112 (2)接管根部接管应力见表6: 最大表面应力Smax= 18416 2 = 106MPa 表5 接管根部壳体表面应力( MPa) 接管根部膜应力( MPa) 位置AuAlBuBlCuClDuDlAmBmCmDm 接管周向应力代数和 (MPa ) 60104138177 212191 123193 112167391322717390182991411681427659128 接管径向应力代数和 (MPa ) - 27101 144112 173141 - 22169 21312663111651691901885815675136138119 128129 剪应力代数和(MPa)- 0185- 0185- 0188- 0188- 1129- 1129- 0144- 0144- 0185- 0188- 1129- 0144 当量应力( MPa) 87107144125 212193 146162 213128631186517019018899143168143 138121 128129 表6 接管根部接管表面应力(MPa)接管根部接管膜应力(MPa) 位置AuAlBuBlCuClDuDlAmBmCmDm 接管周向应力代数和 (MPa ) - 312- 31265186518391639162212922129- 312651839162219 接管轴向应力代数和 (MPa) - 13014 1311617814- 11818 14211- 10212 - 9411115016291819191014 剪应力代数和 (MPa )- 112- 112- 113- 113- 119- 119- 016- 016- 112- 113- 119- 016 当量应力 (MPa )13014134181781418416142111411911711541496518391823 最大膜应力Smax= 6518 112 313 分析比较 比较表3、表5可以看出:对于柱壳上接管承 受外载荷而在壳体上引起的局部应力可以采用 WRC107和WRC297两 种 方 法 进 行 计 算。用 WRC297计算得出的壳体最大表面应力及最大膜应 力较用WRC107的计算值大。因此,在进行压力容 器接管壳体(柱壳)局部应力计算时,从安全角度 出发,应优先采用WRC297。 比较表3、表4、表5可以看出:补强圈边缘 的壳体最大表面应力及最大膜应力不仅不比根部小 反而比根部大(约大40 %) 。因此,在进行压力容 器接管壳体(柱壳)局部应力计算时,不仅要计算 根部的局部应力,同时要校核补强圈边缘的局部应 力。 比较表5、表6可以看出:接管根部接管上的 最大表面应力及最大膜应力较壳体根部小一些,但 是仍然达到相当大的数值。在某些特定情况下,接 管上的应力比容器壳体中的应力高许多,尤其是在 接管开孔未补强(本算例中接管已采取厚壁管予以 补强 ) , 或者是只对容器壳壁进行了补强而未对接 管本身进行补强的情况下1。因此,在接管承受较 大外载荷的情况下,对接管本身进行补强从而实现 对其应力进行控制的重要性是不言而喻的。 4 SW6 - 98局部应力计算程序应用中值得商 榷的问题 WRC107、WRC297公告中都未涉及介质压力 的影响,而SW6 - 98计算程序中计入了介质压力 影响,这无疑是正确的。但是,WRC107、WRC297 公告只给出了局部应力计算方法,并没有给出许用 应力极限值。而SW6 - 98中将最大表面应力极限 值定为3 ,最大膜应力定为115 ,笔者认 为是不妥当的。理由如下: (1)程序中此处最大膜应力是由一次总体薄膜 应力、一次局部薄膜应力和一次局部弯曲应力三部 分组成,接照应力分类5原则,其最大表面膜应力 应取 115。 (2)除1中提到的应力外,在内压的作用下, 壳体接管相贯处,壳体与接管还会因变形协调产生 边界力与边界弯矩,从而产生二次弯曲应力6,而 SW6 - 98程序中并未计及二次应力的影响。此外, 相贯处还有峰值应力。 (3)PD55003标准中,最大表面膜应力取Smax 2最大膜应力取Smax112。 (下转第35页) 03 CPVT 压力容器壳体局部应力计算方法分析 Vol18. No6 2001 w w w . b z f x w . c o m 圈,引进设备E301 18圈、E302AB 16圈,当然, 螺纹锁紧环的结构设计和受力分析不尽相同,而采 用平钢垫片榫槽密封,其密封比压远大于缠绕垫, 而且压缩回弹性能差。在E304的国产化研制过程 中,由于当时国内还没有能力研制工况条件如此苛 刻的软垫,安全风险大,因此,不得不选用千代田 的硬垫密封结构。现在,慈溪博格曼密封材料公司 已攻关研制出耐高温、高压、大直径基本W型膨 胀石墨缠绕垫,成功应用于引进螺纹锁紧环换热 器,并已通过国家级鉴定。为确保管箱主密封的安 全可靠,改善密封性能,宜将E304改为凹平面密 封形式,采用W型膨胀石墨缠绕垫。 图2 改造后的E304结构图 11 管板;21 壳程垫片;31 隔板箱;41 填料;51 填料压盖;61 内法 兰;71 三合环;81 内螺栓;91 管程垫片;101 垫片压板;111 压 环;121 顶销;131 螺栓;141 螺纹锁紧环;151 压环;161 支持圈; 171 内套筒 5 结构改进思路 根据上述缺陷分析,在广泛研究专利的基础 上,提出以下改造方案。改造后的结构如图2所示, 技术要点如下: (1)将原设计的主密封面(凹槽形式)沿底面 车平,主密封由原来的榫槽面平钢垫密封,改为凹 平面缠绕垫密封,并核算轴向力,既要提高密封可 靠性又要减少锁紧环的受力; (2)分程隔板箱原设计的锥筒形改为圆筒形, 并适当增加厚度,以增强其刚度,并作有限元分 析; (3)内法兰上的螺栓尺寸减小,数量增加,并 尽可能靠近器壁,以改善三合环及分程隔板箱在该 螺栓作用下的受力状况; (4)内套筒的作用点直接设在分程隔板箱上, 以便在使用内圈螺栓进行管板密封时,不会对内螺 栓和三合环产生不利影响,支撑圈中心设置垫片压 板自动定位装置; (5)填料压盖螺栓由4颗M12单头螺栓改为8 颗M12双头螺栓,提高填料密封效果,防止管程 短路; (6)管束折流板上部半圈围 “218不锈钢焊 丝,并加以点焊,减少壳程走短路; (7)内外圈螺栓、内法兰螺栓、全部改为松动 型螺栓,螺栓头部改为缩径圆头,以便拆装。 作者简介:偶国富,男,1965年生,高级工程师,浙江大 学在读博士生,曾从事首套国产化加氢裂化装置的设备技 术管理和攻关完善工作,已表面论文15篇,获1997年度 中国石油化工总公司科技进步三等奖1项。 (上接第30页) 5 结论 外载荷作用下壳体局部应力是不可忽视的。局 部应力计算应包括接管(附件)与壳体的相贯界 面、补强圈边缘以及接管本身。在进行局部应力计 算之前,首先应满足开孔补强要求,然后用SW6 - 98局部应力计算程序进行应力计算是可行的,但 需严格限制许用应力。一般情况下应限制在如下范 围之内:最大表面膜应力Smax2;最大膜应 力Smax112。 参考文献 11K. R. Wichman , A.G.Hopper and J. L. Mershon , Lo2 cal Stress