压力容器大开孔补强工程设计方法

1、化工机械2000年166压力容器大开孔补强工程设计方法蒋家羚章春亮(浙江大学)摘要归纳总结了压力容器大开孔补强工程设计的几种常用方法:压力面积法、实验极限压力法、有限元法等,并对各种补强方法的力学原理、适用范围、使用方法及注意事项做了分析。关键词压力容器大开孔补强设计在工程设计中,一些压力容器设备由于工艺流程特性要求,需要有较大的开孔接管,接管的接入,改变了原容器简单的应力状态。对于柱壳容器,一方面开孔后,孔口“椭圆化”趋势受到接管弹性约束的阻碍,致使容器主管开孔附近处于薄膜应力状态的轴向力和环向力受到干扰,出现弯矩、扭矩等内力;另一方面,接管轴向力作用于容器孔边上,致使容器开孔孔边受到横剪力

2、,容器孔口还因阻碍了接管管壁周线扩大变形而受到了反作用的力和力矩。按应力分类的定义,在相贯线截面上,承受总体薄膜应力、局部薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。1GB15021998钢制压力容器中对一定开孔范围的柱壳容器(当其内径Di1500mm时,开孔最大直径dDi且开孔直径d500mm;当其2内径Di1500mm时,开孔最大直径dDi且3开孔直径d1000mm)、开孔率d/Di小于015的凸形封头或球壳给出了开孔补强设计方法等面积补强法。习惯上把超过以上规定范围的容器开孔称为大开孔。这是压力容器研究中的经典课题,已有许多探讨性研究结果2,但目前尚未有完善的设计规范。以下介绍几种工程设计中较可靠的大

3、开孔补强处理方法。1压力面积法压力面积法是以受压面积和承载截面面积的力平衡为基础的方法,即压力在受压面积上形成的总力与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡(图1):+A2p即:AppA-2式中Ap;A补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积;p设计压力;材料许用应力。上式左端项即压力在受压面积上形成的载荷,右端为材料所具有的承载能力,-为2中径公式的处理结果。图1压力面积法补强示意图压力面积法与等面积法的实质是一致的,都蒋家羚,男,1943年7月生,教授。浙江省杭州市,310027。 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Dis

4、c Co., Ltd. All rights reserved.第28卷第3期化工机械167是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度)在两倍许用应力水平内的计算方法,均属经验补强方法。压力面积法与等面积法的最大不同点在于对筒体上的补强范围的考虑,等面积补强法是基于受拉伸的开孔大平板孔边应力集中的衰减范围,取为接管内径d,有效范围与筒体内径无关;而压力面积法则为圆柱壳的边界效应衰减区域,取为Di+T-c)(T2c)(T为筒体壁厚;c为筒体厚度附加量)。由此对于较大的开孔,压力面积法的有效补强范围取的较小,要求附加的补强面积相对较多,且较靠近开孔边缘,降低了局部应力集中水平,局部应力引起的安全

5、性问题相对缓和,故一般可用于开孔率较大的场合3。采用压力面积法最早的是前西德AD压力容器规范4,法国在其标准CODAP21987非直接火5受压容器建造规范中也采用该开孔补强方法。1989年原化工部在制定钢制化工容器强度计算6规定中引入了压力面积法,允许使用开孔率不大于018的大开孔场合,该标准还结合我国压力容器用材、制造及检验状况,提出应满足或注意的5个条件:a.为避免局部产生过大应力集中,接管与壳体应采用全焊透结构,接管与壳体连接处内外壁应避免尖角过渡,而采用圆角过渡。b.接管、壳体、补强件的材料其常温屈强比不断扩展直至在恒定载荷作用下产生流动,此时载荷为极限载荷。据此原则允许开孔附近应力集

6、中区有较高的许用值,即使开孔附近的局部最大应力作用面沿整个壁厚方向发生屈服,不会导致容器失效。极限载荷的确定方法有切线交点法、1%的塑性应变载荷、012%的残余应变载荷、二倍弹性应变载荷、二倍弹性斜率载荷、全域塑性失效时的极限压力等于98%未开孔壳体的屈服压力等1。实验极限压力法主要是前西德AD规范,该规范根据Siebel和Huaser对各种尺寸开孔与接管的圆筒形容器进行一系列应变测量,以壳体开孔接管处产生012%应变时所需压力为实验极限压力pE,T定义削弱系数v=pE,绘制成v、t-C/T-CR和d/Di+T-C1-C2)(T-C1-C2)的关系曲线,采用试差法求得筒体补强所要求壁厚。该方法

7、的适用范围与压力面积法基本一致。3有限元法到目前为止,已有大量的开孔接管分析借助有限元法完成。柱壳、球壳的开孔接管有限元分析已有专用软件,一般只需输入容器与接管的特征参数与载荷情况、设定网格划分控制参数就能很方便地完成计算。国内较多采用由全国压力容器标准化技术委员会推荐、清华大学编制的三维7体和壳体组合结构有限元分析程序。值得注应满足0167,避免采用标准常温抗拉强度s/b下限值b540MPa的材料。这是由于开孔处局部应力较高,不宜采用对裂纹敏感的高强度钢,而应尽可能采用韧性材料。c.为确保焊接质量,接管、壳体和补强件之意的是在用于开孔率大于017的T形薄壁容器应力计算时,由于该软件网格自动划

8、分处理方式的局限性,可能造成开孔相贯线腹部附近的单元质量较差,而引起较大误差。笔者曾对开孔率为018、壳体直径与壁厚比(D/T)为50的薄壳柱形容器大开孔接管进行计算,发现在相贯线附近,计算所得应力与实测值相差较大,需进一步验证。除该软件外,开孔接管容器应力分析专用软件还有出自飞箭有限元计算软件有限公司的相关产品。除专用软件外,国外一些大型通用有限元计算软件包,如NASTRAN、ANSYS、SAP等,也容易用于开孔接管的应力分析。在计算中,一般采用网格自动生成,在接管相贯线附近采用三维等参元以提高计算精度,并在此区域网格划分得密些,以此向外,密疏逐渐过渡。此外,有必要检测高应力间的焊缝应进行无

9、损探伤。d.不宜用于介质对应力敏感的场合。e.不宜用于可产生蠕变或有脉动载荷的场合。2实验极限压力法实验极限压力法是根据塑性失效准则的观点,即假设材料特性为弹性2理想塑性(无应变硬化),结构在相当多的部分发生屈服前不产生大量变形,且不考虑残余应力对结构的影响。当加载时,最初材料呈弹性变形,随着载荷继续增加,将在某处产生屈服,当载荷进一步增加时,屈服区便 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.化工机械2000年168区附近单元的质量指标。对于质量较差单元,逐一调整单元参数,以保证单元质量,确保

10、计算精度。在接管与壳体连接的内外壁处,应根据实际模型情况设圆角过渡,避免出现奇异单元。在开孔接管有限元应力分析中,不仅仅希望获得容器每一点的应力值,更需获得最大应力点发生位置以及作为压力容器设计依据的各类应力,以便进行应力评定,确定结构的安全性。根据压力容器强度设计准则,应对开孔容器在不同使用情况下可能引起的失效进行分析。限制开孔截面(或开孔附近截面)的壳体和接管强度的平均应力是开孔容器一次强度所必须的,否则开孔处将产生大变形,使开孔结构在一次加载时就出现失效,这一次强度是压力容器强度的基本要求。因此为确保开孔容器的总体强度,必须控制开孔截面的一次平均应力在两倍许用应力内。一般容器在使用中,为

11、多次受载情况,因而必须考虑二次局部应力可能引起的失去安定的问题。根据安定性理论,必须控制二次应力(与一次应力之和)小于2倍材料屈服极限。若开孔结构是在频繁加、卸载状态下工作,则必须考虑开孔边缘最高应力集中处峰值应力可能引起的疲劳失效问题。必须控制该峰值应力(与一次、二次应力的总和)小于该材料要求寿命(循环周次)下相应疲劳曲线的强度值。采用有限元法进行开孔容器应力分析所得到的只是结构中每一点的应力值,而不是平均应力、二次应力和峰值应力,因此有必要根据有限元计算结果估算各类应力值。开孔容器在内压载荷作用下,最大应力点发生在接管与容器的内外相贯线上。由于应力沿壁厚方向变化较大,对于内相贯线上最大应力

12、点(按VonMises准则)选用接管与壳体交接斜线为应力处理线,如图2所示。对于外相贯线上最大应力点分别选用沿接管厚度方向和壳体厚度方向作为应力处理线,如图3所示。图3外相贯线上最大应力点的两种应力处理线用二次曲线拟合处理线上的应力分布:2n=a1W+a2W+a3式中W为应力处理线上无量纲局部坐标,在最大应力点处W=1,在处理线另一端点处W=0。可借助一些曲线拟合软件,如MATLAB、MATHCAD等,用最小二乘法,求出系数a1、a2、a3,则峰值应力近似表示为p=a1+a2+a3,平均应力e=a1+a+a3。ndW=3220再者,设等效线性应力为n=b1W+b2,用静1力等效原理:(bW+b

13、)WdW=(aW0101(b1W+b2)dW=1210(a1W2+a2W+a3)dW1012+a2W+a3)WdW可得解b1=a1+a2,b2=a3-次应力之和为t=a,一次应力与二61a+a2+a3。614其他有关大开孔设计规范在我国GB9222288水管锅炉受压元件强度计算标准和化工部标准HG2058221998钢制化工容器强度计算规定中,对于主管外径Do600mm,支管内径与主管内径之比di/Di015,主管115外径与主管内径与=Do/Di在1105范围内的焊制三通,给出了整体补强(壁厚加强)的设计方法。在该方法中,主管壁厚以中径公式为设计计算式,在算式中引入与开孔削弱有关的减弱系数。

14、原机械部、原电子工业部的有关部门以及清华大学的专家们从对三通焊缝附近应力状态所进行的应力分析为基础8,针对各种尺寸三通做了大量实验研究(爆破试验等)和有限元分析,证明了几何相似原理及应变叠加原理适用于焊制三通,从而导出减弱系数计算方法。该方法图2内相贯线上最大应力点的应力处理线 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第28卷第3期化工机械169已经多年实验验证和工程实践考验,是成熟的三通设计计算方法。在轻工造纸行业中,用于制浆蒸煮的设备,如横式连续蒸煮管,由于工艺流程要求,在其主管靠近端部法

15、兰附近必须设有较大的进出料接管,其接管尺寸较大,一般在 600mm以上,开孔率达017左右,在开孔处除了开孔自身引起的高应力外,还得承受法兰弯矩的作用,受力情况极其复杂。中国轻工总会杭州机械设计研究所在大量理论分析和实践验证工作基础上,参照前西德实验极限压力法,制定了行业标准QB/T206721997横式连续蒸煮管进出料大接管开孔补强设计规9定,已成功地运用于该类设备的开孔补强设计,可供其他大开孔补强设计参考。此外,国外压力容器规范中的一些大开孔补强计算方法,也可为设计时参考使用。瑞典压力容器设计规范10中,给出了开孔率大于016的壳体最小厚度计算式:min=2z厚必须增加2倍以上,方可满足补

16、强要求。该标准还用于椭圆形开孔。5结束语对于重要场合,如有特殊安全性要求的大开孔容器设计,应采取特别谨慎的做法。按一种方法设计后再用有限元法进行校核,设计时还应尽量考虑已有的设计或使用经验。可能的情况下,在水压实验时进行实验应力测量,用可靠的测量结果来验证是十分值得提倡的。参考文献1GB150289.钢制压力容器及标准释义2章春亮,张康达,钱逸等.内压柱壳容器大开孔补强探讨.石油化工设备,1990,19(4):10153成青.压力面积法开孔补强设计方法分析.石油化工设备技术,1987,8(1):48564前西德AD压力容器规范,B95法国CODAP21987.非直接火受压容器建造规范,C.5.

17、1.46HG2058221998钢制化工容器强度计算规定7岑章志,郁吉仁,王勖成.大型三通三维有限元自动分析.化工与通用机械,1981,19(12):17268李之光,黄智翔.锅炉受压元件强度标准分析.北京:式中z为有效系数,它反映开孔引起的强度削弱程度。规范中给出了z与开孔率的关系曲线,其值介于0168至014之间,为开孔的形状系数,对于圆形开孔该值为1125。由此可见,对于最大开孔情形(开孔率为1),在未得到接管加强作用时,开孔附近(补强有效范围内)的壳体壁技术标准出版社,19809QB/T206721997.横式连续蒸煮管进出料大接管开孔补强设计规定10SwedishPressureVe

18、sselCode.TheSwedishPressureVesselCommission,FourthEdition(收稿日期:2000212229,修回日期:2001203220)(上接第152页)该流程泵主要改进了涡室、过渡流道和叶轮等设计,对于轴向定位、密封和冷却形式也都作了全面考虑,经过试验和工厂运行,应用情况良好,效率高并且高效区宽,结构合理,运行达到了设计要求,满足现场需要。3结论311使用双涡室压水室,中间为X形分布的两个过渡流道,可平衡作用于叶轮上的径向力,振动小,结构紧凑,能减小泵体尺寸,水力性能更好。312采用小叶片出口角少叶片数Z和大叶2、片包角的叶轮,运行平稳,性能曲线平

19、坦,高效区间宽。313根据水力试验和工业应用证实,本文介绍的化工流程泵的结构设计方案是切实可行的。(收稿日期:2000212215)更证西北大学化工系李彩琴发表在贵刊1998年第6期合成氨原料气超高效除油净化器一文的参考文献之一为李彩琴、李大明1998年6月12日发表于化肥设计第36卷的合作论文合成气的超高效除油净化,特此更证。西北大学化工系:李彩琴 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第28卷第3期化工机械173sultsofheatexchangerswithvariousflowpa

20、tternswasmade.KeyWords:HeatExchanger,Foul,HeatTransferPerfor2manceStressanalysisoftheintegratejacketsealringofthecylinderofathinfilmevaporatoranditsimprovementde2sign.LiuYouhong(QinghuaUniversity,Beijing,China)HuGuolin(DesignInstitute,JinlingDivision,Sinopec,Nanjing,Jiangsu,China)(147)Basedonthenume

21、ricalsimulationresultofconvectiveheattransfer,thefiniteelementcalculatingmodeloftheintegratejack2etstructureofthecylinderofathinfilmevaporatorwasestab2lished,thestressanalysisandtheintensitycalculationofthestructureweremadeusingthefiniteelementmethod.Theresultshowsthatthestructurewassafewhenthetempe

22、ratureloadwasnotinconsideration;thestructurewasnotsafewhenthetemper2atureloadwasinconsideration.Thestructuredesignwasim2proved,andthecorrespondingintensitycalculationwasmade,theyweresuccessfulinpractice.KeyWords:ThinFilmEvaporator,Cylinder,Jacket,StressAnalysisStructuredesignoftwo2stagepetrochemical

23、flowpumpsandtheirapplication.ZhaoWanyong(GansuUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu,China)(151)Thevariousstructuresofthecentrifugalpetrochemicalflowpumpswerecompared,theimportantactionofadoptingthedou2ble2extractingimpellersandthedouble2turbinepressurechambersforincreasingerosionperformanceandbalanci

24、ngradialforcewasdescribed.Thetheoreticalanalysis,testresult,andcommercialapplicationshowthatthevibrationofthepumpscouldbere2duced,theefficiencyofthepumpscouldbeincreased,thehighefficiencyzonecouldbeextendedbyusingthesmallbladeexitangle2,theimpellerswithlessbladenumberZandlargebladewrapangle,andtwomi

25、ddletransitionchannelswithX2shapeddistribution.KeyWords:ChemicalFlowPump,StructureDesignSimplecriterionoftheequivalentareareinforcementoftheopeningsofpressurevessels.DengXiaoming(GuangdongPetrochemicalCollege,Maoming,Guangdong,China)(153)Basedonthecompensationprincipleofequivalentareaoftheopeningsof

26、pressurevesselsandthedesignformulaeregulatedinNationalStandards,asimplecriterionofopeningreinforcementwasderived.Thesimplicityandreliabilityoftheformulaweredescribed,thefunctionofapplyingthesimplecriteriontosimpli2fyingcalculationprocesswasalsodescribed.KeyWords:PressureVessel,Opening,Reinforcement,

27、Cri2terionFailureanalysisofthejackettubesofacoolingeffluentsteamheater.ChenGuofeng(EthylenePlant,GuangzhouPetro2chemicalComplex,Guangzhou,Guangdong,China)(155)Thefailurecauseofthejackettubesofacoolingeffluentsteamheaterwasanalyzed,theresultshowsthatthemajorcausewasstresscorrosion,andsomeimprovements

28、wereproposed.KeyWords:StressCorrosion,JacketTubeofHeater,Fail2ureAnalysisCrackfailureanalysisofcylinderdryers.LinPing,YueBin,LiChangxi,LiaoDongtai,MaPengju(Res.InstofChem.Mach,Lanzhou,Gansu,China)(157)Amacro2analysisandamicro2analysiswasmadefortheweldseamcracksonthecylinderdryersinacompoundfertilize

29、rplant,anditwasfoundoutthatthecausewasstresscorrosioncracking,andsomerepairmethodswereproposed.KeyWords:StressCorrosionCracking,Dryer)tpyenitrogen2Rettofitofthepistonringsof3D22(hydrogencompressors.YanKezhong,YangYingjie(ShanxiCokingGroupCoLtd,Hongdong,Shanxi,China)(160)Thecastironpistonringsinthese

30、condsectionof3D22()typecompressorswerechangedintothepackedMCnylonpistonringsinaretrorit,thestructurecalculationofthepackedMCnylonpistonringsandtheirretrofitresultwerepresented.Thecastironpistonringsinthefirstsectionandthethirdsectionwerealsoretrofittedbasedontheexperienceabovementioned.KeyWords:Nitr

31、ogen2HydrogenCompressor,PistonRingNon2preheatingweldbetween15CrMoRsteelandA3Rsteel.LiuLanju(ShengliRefinery,QiluPetrochemicalIndustryCorporation,Zibo,Shandong,China)(162)Thenon2preheatingweldprocessbetween15CrMoRheatre2sistantsteelandA3Rlowcarbonsteelwaspresented.KeyWords:15CrMoRSteel,A3RSteel,Weld,PreheatingApplicationofthecompensationprincipl