应变强化压力容器开孔补强有限元分析

第 4 2卷第 1 期 2 0 1 3年 1月 石油化工设备 P ETRO CHEMI CAI EQUI PMENT Vo1 4 2 NO1 J a n 2 0 1 3 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 4 2 0 4 应变强化压 力容器开孔补强有 限元分析 陈叔平 ，吴睿 ，谭风光 ( 兰州理工大学 石油 化工 学院 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要 ：基 于有 限元 应力分 析 方法 ， 分 析 了应 变强化压 力 容器在 强化 压力 下 ， 不 同补 强结构 的 容器封 头与接管连接处应力强度水平和塑性应变量。结果表明， 补强圈补强与厚壁接 管补强最大塑性应 变量都符 合标 准要 求 ， 但 考虑在 容 器封 头与接 管连接 处 的应 力 强度 、 塑 性应 变分 布 的差 异 ， 应 变 强 化 压力容 器开孔补 强使 用厚壁 接 管补 强结构 更加合 理 。 关 键词 ：压力容器；应变强化；开孔补强 ； 有限元分析 中图分类 号 ：T Q 0 5 0 2 ； O 2 4 2 2 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n i 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 1 0 1 1 Fi n i t e El e m e n t An a l y s i s o f Op e n i n g Re i n f o r c e me n t f o r S t r a i n S t r e n g t h e ni n g Pr e s s u r e Ve s s e l CHEN S hu - pi ng。 W U Ru i 。 TAN Fe ng - g u a n g ( Sc ho o l o f Pe t r o c he mi c a l En gi ne e r i ng， La n z h ou Uni v e r s i t y o f Te c h no l o gy， La nz ho u 7 3 00 5 0， Ch i na ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e f i n i t e e l e me n t s t r e s s a n a l y s i s me t h o d，s t r e s s i n t e n s i t y a n d p l a s t i c d e f o r ma t i o n a t t h e j o i n t z o n e o f t u b e a n d h e a d p l a t e f o r a p r e s s u r e v e s s e l u n d e r s t r e n g t h e n i n g p r e s s u r e wi t h d i f f e r e n t r e i n f o r c i n g s t r u c t u r e s we r e a n a l y z e d Th e r e s u l t s h o ws t h e t wo r e i n f o r c i n g s t r uc t ur e s c a n m e e t t he r e q ui r e m e nt s of p l a s t i c de f o r ma t i o n o f s t r a i n s t r e ngt he n i ng p r e s s ur e y e s s e l s，a nd c o ns i d e r i ng t he d i f f e r e n c e i n s t r e s s i nt e ns i t y a nd s t r a i n di s t r i b ut i on，t he t h i c k wa l l t u be r e i n f or c e me nt i S mo r e r e a s on a bl e Ke y wo r d s：p r e s s u r e v e s s e l ；s t r a i n s t r e n g t h e n i n g；o p e n i n g r e i n f o r c e me n t ；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s 压力 容器 应变 强化技 术起 源 于 2 0世 纪 5 O年代 的欧洲 ， 1 9 5 6年 ， 瑞典 Av e s t a S h e f f i e l d公 司最早开 始研制室温下应变强化压力容器 ， 一般应用于采用 塑性较好的奥氏体不锈钢制造的低温容器。压力容 器应变强化后 ， 奥氏体不锈钢材料许用应力提高率 为 8 3 1 1 2 8 5 ， 容 器壁厚 可减 薄一 半左 右 ， 容 重 比可降低 5 O ， 同时可以减少容器在加工成型时 的能源消耗u 。应变强化技术 已经成为奥 氏体不 锈钢压力容器轻型化 的一个重要发展方 向， 也是压 力容器制造企业提高经济效益的有效途径。 应变强化压力容器在强化过程 中， 塑性变形较 大 。容器上直径大于 3 2 5 mm 的开孔一般只允许设 置在容器封头上， 且与筒体 同轴同心。若封头上 因 工艺要求必须设置与简 体非 同轴同心的开孑 L ， 则应 控制 封头局 部 的应变 量不 超过 1 O _ 3 。 文中对应变强化压力容器封头上 2种与简体非 同轴同心开孔的补强结构进行对 比分析， 判断哪种 补强 结构设 计更 加适 用 于应变 强化 压力 容器 。 1 容器结构尺寸及材料参数 1 1 容器结构尺寸 容器 主 要 依 据 欧盟 压 力 容 器 标 准 E N1 3 4 5 8 2 0 0 2 低 温 容 器 固定 式 真 空 绝 热 容 器 及 收稿 日期 ：2 O 1 2 一 O 7 2 8 作者简介 ：陈叔平( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 浙江新 昌人 ， 教授 ， 学 士 ， 主要从事低温储运技术与设备方面 的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 陈叔平 ， 等 ： 应 变强化压力容器开孔补强有 限元 分析 E N1 3 4 4 5 -2 0 0 9 非 火焰 直接 接触 压力容 器 嘲 设 计 ， 筒体与封头壁厚为 1 2 mm， 结构示意图见图 l 。 封 头接管 简体 右封 头 虚 二 一主 = 图 1 容器模 型整体结 构示 图 采用补强圈补强和厚壁接管 2种补强方式对容 器封头开孔( 非同轴 同心开孔) 进行补强设计 ， 补强 结构及设计参数见图 2 。 ( a ) 补 强 圈补 强 结 构 ( b ) 厚 壁 接 管补 强 结 构 图 2 2 种补强结构示 意图 1 2材料参数 容器模型分为筒体、 封头、 接管和补强 圈等零部 件 ， 均使用欧盟 1 4 3 0 1 奥氏体不锈钢材料( 相当于国 内的 $ 3 0 4 0 8奥 氏体 不 锈 钢 ) ， 室 温 下 的 密 度 为 7 9 0 0 k g m3 ， 弹性 模 量 E= ： = 2 0 0 G P a ， 泊松 比 v= 0 3 0 ， 屈服强度 2 5 0 0 MP a ， 抗拉强度6 0 0 0 MP a 。 2 应变强化设计 强化压力是压力 容器应变强化工艺 的重要 参 数 ， 正确地选择强化压力的大小是能否保证应变强 化效果好坏的关键 。强化压力过小会使容器材料塑 性 变 形不 充分 ， 造 成强 化后 容器 强度 不足 ； 反 之则 引 起容器的过量塑性变形 ， 使容器局部结构失效甚至 整体报废 。 奥氏体不锈钢在应变强化时， 一般材料安全系 数 为 1 5 ， 容器采用全熔透焊接结构 ， 焊接接头系 数为 1 0 。 压力容器应变强化过程的强化压力 的 计算公式为 k 一1 5 p J 。 公式推导时采用筒体的中径 D计算 ， 忽略了容 器强化过程 中筒体直径和厚度变化的影 响， 但应 用 时还是偏保守 、 偏安全的。在进行实验分析时， 应根 据容器实际测得 的壁厚值修 正计 算得到 的强化 压 力 ， 使结果更准确与安全 。 经计算 ， 当本模型容器设计压力 为 2 7 2 5 MP a 时， 其强化压力为 4 0 8 8 MP a 。 3强化过程数值模拟 3 1有限元模型 在应变强化过程中， 容器发生塑性变形， 已经不 属于线性弹性变形 。从容器结构上考虑， 除封头与 筒体连接处 ， 封头上开孔接管结构也属于不连续结 构 ， 属于材料 、 几何非线性数值模拟。 进行有 限元分析时， 需建立符合实际材料真实 应力一 应变曲线的弹塑性材料模型 ， 模拟材料屈服后 的塑 性变 形 。 在 ANS YS中选用材 料 的多线性 等 向强化 模 型， 录入材料的真实应力一 应变曲线见图 3 。 图 3非线 性数值模拟采用的弹塑性材料模型 考虑模型的对称性 ， 为提高计算效率， 采用容器 带有接管一端的 1 2模型进行计算 ， 且保证模型简 体长度 L 2 5 ( R为简体半径 ， 为圆筒壁厚 ， ram) ， 消除筒体与封头连接处边缘应力的影响。 容器筒体、 封头 、 接管及焊缝等部件采用整体建 模的方法 ， 忽略焊缝与容器母材材料性能的差异。 3 2 网格划分 考虑计算效率和计算精度 ， 设置容器 主体网格 尺寸为5 O mm， 并且添加 网格尺寸限制选项 ， 细化接 管 、 补强圈及焊缝处的网格 ， 沿壁厚方向上至少获得 2层 以上 的单元 以获得较精确解 ， 补强结构的网格 细 化见