压力容器管口应力分析VIP

压 力 容 器 在 海 上 油 田和 陆 上 终端应 用广泛 ，是生产过程 中必不 可少的设备 。如海上 平 台在 主工艺 系统 、燃料气系统 、柴油系统 、化 学药剂系统 、闭式排放系统 、开式 排放系统 、工厂风及仪表风系统 、 含油污水处理系统 、消防水系统等 都广 泛应用 了压 力容器 。在压力 容器设计 中，由于操作或结构的要 求 ，容器上的开孔是不可避免的。 1 压 力容器管 口应力分析的 必要性 压 力 容 器 开 孑 L 接 管 区域 的应 力状况非常复杂，这是因为开孔破 坏 了壳体 材料的连续性 ，削弱 了原 有的承载面积。另外，在开孑 L 边缘 附近必定造成应力集中，接管的存 在使开孑 L 接管区域成为总体结构不 连续区域 ，壳体与接管在内压的作 用下 自由变形 不一致 ，在 变形协调 过程 中将 产生边 缘应 力 。 同时 ，接管与壳体是通过焊 缝连接在 一起 的 ，焊缝 的结构尺 寸如焊缝 高度 、过渡 圆角等会形 成局部结构不连续 ，形成局部不 连 续 应 力 。在 筒 体 上 造 成 局 部 高 应力 ，从而严重影响筒体的承载 能力 ，该部位很有可能成为设备 的破 坏源 。因此 ，对 开孔接管部位 作 详 细 的 应 力 分 析 是 确 保 压 力 容 器安 全 运行 必不 可 少 的内 容 。 压力容器管 口应力分析 戚晓宁石 磊曹 永 ( 海洋石油工 程股份有 限公司天津3 0 0 4 5 1) 【 摘 要 】本文以某压力容器为例 ，分别运用常规设计方法和有限元分析 设计 方法对开孔接 管 区上 外栽荷 对容 器管 口应力分 布的影响进行 了分析 。 发现管线外载荷对管 口应力影响明显 ，不可忽视 ；满足常规设计的管口 在 一般 工作载荷 下 ，由于安 全 系数 足够 大 ，强度仍 能满足要 求 ；对环境 条件 恶 劣 、波动较 大 的工作 载荷 下的 管 口，有限元 分析设 计是 必要 的 。 【 关键词 】压力容器管线载荷管口应力有限元分析 由于几何 形 状及尺 寸 的突变 ， 受内压壳体与接管连接处附近的 局部范围内会产生较高 的不连续 应力。对这类应力的求解相当复 杂。工程上常采用应力集中系数 法、经验公式 、数值解法和试验测 试等方法计算局部应力1 。 2 1 应 力集 中系数 法 在计算壳体与接管连接处的 最大应 力时 ，常采用应力集 中系 数法 。受 内压壳体与接 管连接处 的最大弹性应力 与该壳体不 开孑 L 时 的环 向薄膜应力 o 之 比称 为应力集 中系数 K ，即： K ， = (1) ( 70 式 中： 。 某位置 的最大正 2 压力容器管口局部应力计 应力 ， P ； 算方法 。一简 体 环 向薄 膜 应力 ， =P D 2 6，P a ，其 中 P为设计压 力，P a ，D为简体直径 ，IT I ，6为筒 体壁 厚 ，I l l 。 2 2经验公式 大量的试验研究 、数值计算和 理论分析 表 明，受 内 壳 体 与接 管 连接 处 的应力 集 中系数 K 一 般 可 表 示为三 个无 囚次 参量的 函数 。这 = 三 个无因次参数是 ：接管 中面直径 d与壳体中面直径 D之比d D，接管 厚度 t 与壳体厚度 T之比t T和壳体 中面直径D与其厚度T 之比D I 。以 下 为经 验公 式 ： R o d a b a u g h 公式 ： = 2 8 c 8 c (2) 该式考 虑 了接管与 圆柱壳 过 渡处外 圆角半 径 r 的影响 ，已被 A S ME规范第 1 I I 篇 N B 一 3 6 8 3 8 所采 用 ， 适 用范围为 D TA。即开孑 L 处的最 大应力值在简体板材 0 3 4 5 R的许 用应力值的范围之内，符合要求。 4压力容器管 口应力有限元 计算 4 1 A N S Y S简介【4 1 A NS YS软件是机械制造 、能 源 、汽车 交通 、国防军 工 、电子 、 土木工程等一般工业和科学结构 、 热 、流体 、电磁 、声学于一体的大 型通用有限元分析软件 ，可广泛 应用 于核 工业 、铁 道 、石 油化工 、 航空航天的研究。在压力容器行 业， A N S Y S占据了国内9 5 以上的 市 场份 额 ，成 为压 力 容 器分 析 设 计的事实上的标准。尤其是在 1 9 9 5 年 ，全国锅炉压 力容器标准化技 术委员会发布了J B 4 7 3 2 1 9 9 5 ( 钢制 压 力 容器 分析设 计标 准 【 5 1 后 ， AN S YS有限元 的应 用更是 上 了一 个 台 阶。 4 2有限元模型 的建立 ( 1) 模型的建立与网格划分 根据圆筒径向开孔结构形状 、 受载条件 和约 束状况 的对称性 ， 沿圆筒体的纵向剖面建立 1 2三维 实体有限元模型 ，根据圣维南原 理 ， 简体 的长度取 为 1 0 0 0 m m， 接管 位于简体 的中间部位 ，外伸长度 为 1 3 0 ra m，采用通常使用的有限元 单 元 为 4 节 点 的 壳 体 单 元 ( S H E L L 6 3) 进行建模，网格划分时 我们 给 予 每个 单元 格 的 长度 为 0 0 2 m，并且赋予壳单元 的厚度 为 8 ra m，模型结构和网格划分如图 2所示 。 ( 2) 定 义材料属性 将表 1 所列的材料机械性能数 据赋予软件的材料属性。 4 3载荷 和边界 条件施加 如图 3 所示：管线两边与设备 管 口相连 ，中间具有若干个管线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 支架 ，故在这些 部位 管道的位移 受到一定的约束 ，不能 自由变形 。 因此 ，求解 外载荷及热膨胀在管 道 内 的 所 产 生 的应 力 问题 是 一 个 超静定问题 ，需要利用变形条件 或约束 条件先求 出这些部位 的约 束反力 ，从而求 出管道各截面的 内力 及应 力 。 ( 1)管线外载荷计算 一 般来说 ，管道 中心线 为一 空间曲线 ，管道各截面的 内力素 为三个 相互 垂 直的 内力 P 、P 、P 及力矩 w 、w 、w ，求解过程是 很 复 杂 的 。 因 此 我 们 采 用 C AE S A R I I 5 0 对管线的外部应力 进行计算 ，计算结果如图 3所示。 从 而 得 出此 管 口处 应 力 值 ，如 表 2所 示 。 ( 2)载荷和边界条件施加 首先 向简体和接 管的内表面 施加 面载荷 为 0 4 5 MP a 的压力 。在 接管与简 体的交 界处 ，把表 2中的 力 和力 矩 施 加 在 该 处 的节 点 上 。 然后在筒体模 型对称 面上设定位 移约束 ，以便于更好 的体现 出管 口区的应力分布情况。 4 4计算结果分析 分析完成后 ， 采用 A N S Y S 的后 处理 程序 观察分 析得 到的结 果 ， 这里 我们 只关心模型上 的应力大 小。图4和图 5为压力容器开口处 的等效 V O I I m i s e s 应力分布图。图4 为筒 体外部应 力分布 图 ，图 5为筒 体 内部 应 力 分 布 图 。 由图 我们 可 以很 容 易 的看 到 最 大 应 力 值 为 2 6 2 MP a ， 是没有外载荷情况下最大 应力值 的两倍多 ，但仍小 于材料 的需用应力3 4 5 M P a ， 分布在简体的 内侧 ，因管线外载荷的作用，应力 呈不对称的分布。 F x F y F z M x M 8 9 5 2 4 2 l 一 5 7 3 8 3 5 2 9 6 1 6 5 5 5 结论 ( 1 ) 最大应力值分布在简体的 内侧 ，并且因管线外载荷 的作 用 应力 成不 对 称分 布 。 ( 2)中低 压容器 的安全 系数 一 般取的 比较大 ，虽然分析结果 表 明 开 口区 域 的 强 度 足够 ，满 足 安 全要 求 。但 仍 不 能 忽 视 应 力 集 中 在容器长期使用中对壳体的影响。 ( 3)随着化工设备向大型化 、 复杂化 、高参数化发展，受压零部 件 的设计越来越 多地利用应力分 析来完成。有效利用A N S Y S 等工具 进行 有 限元 分 析 设 计 ，可 以 为化 工机械设计提供强有利的技术保 证。豳 【 1 】 周 守为等 海 洋石油工程机械 与设备设计 M】 北京 -石油工业 出版社 ， 2 0 0 7 2 】 郑 津津等 过程设备设计 【 M】 北 京-化 学工业 出版社 ， 2 0 0 4 【 3 】 GB1 5 0 1 9 9 8 ，钢制压 力容器【 S 】 4