高压容器厚壁开孔有限元分析

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  摘 要:对于高压压力容器,按常规等面积法设备开孔壁厚较厚,在开孔接管连接部位有很大的应力集中。应用有限元方法,对内压工况下设备开孔进行应力分析,同时按照JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》进行应力评定。分析表明,有限元分析设计更为经济可靠,为高压容器厚壁开孔的优化设计提供有力的计算依据。
  关键词:有限元 压力容器 厚壁开孔
  中图分类号:TQ050.2 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2013)003-029-02
  1 引言
  压力容器是现代化工业生产中广泛使用的设备,由于工艺流程要求,设计压力常常达到10MPa或者更高。高压容器开孔,不可避免的会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态,常规设计中所采用的等面积法,壁厚较厚,增大了焊接、制造的难度,加重了设备的偏心力矩,对设备的稳定性造成了一定的影响。
  考虑到近年来随着计算机技术和数值分析方法的发展,有限元分析(Finite Element Analysis)方法则为解决复杂的设计计算问题提供了有力的方法。该方法可以采用实体模型来比较真实地模拟接管与壳体之前的真实结构、真实载荷与边界条件,使其更加客观的接近实际情况。
  2 分析方法
  2.1 结构建立
  高压容器基本参数如下:设计压力为15MPa(内压), 设计温度为50℃;筒体内径为1200mm,筒体长度为2380mm,筒体厚度为60mm,筒体材料为Q345R,弹性模量为200000MPa,泊松比为0.3,设计温度和厚度下的许用应力为181MPa;接管内径为452mm,接管实际外伸长度为300mm,接管材料为16Mn,弹性模量为200000MPa,泊松比为0.3,设计温度和厚度下的许用应力为178MPa,容器开孔实体模型如图1所示。
  图1 容器开孔示意图
  2.2 等面积法设计
  按照常规等面积法计算,需满足下式要求:
  A≥A1+A2+A3
  式中:A=筒体开孔所需面积,mm2
  A1=壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,mm2
  A2=接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,mm2
  A3=焊缝金属截面积,mm2
  当接管壁厚取80mm时,经计算A1=2198,A2=21504,A3=1200,A1+A2+A3=24902>A=23890.3,故合格,但裕量较小。
  2.3 有限元分析设计
  由于仅考虑内压作用下的应力状态,为此,有限元模型采用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。筒体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度,取筒体长度Lc=1300mm,接管外伸长度Ln=300mm。
  选择SOLID95单元结构进行离散化,单元网格如图2所示。对称面施加对称约束,接管端部施加平衡面载荷Pn,筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc,并按照下公式计算:
  式中:P-设备内压,MPa
  Si-接管/筒体内圆面积,mm2
  So-接管/筒体外圆面积,mm2
  开孔接管区的应力强度云图如图3所示。从图3中可知:最大应力发生在筒体与接管的连接过度区,其中内、外表面的应力最高。
  图2 单元网格图
  图3 应力强度云图
  图4 SCLA应力曲线
  图5 SCLB应力曲线
  图6 SCLC应力曲线
  有限元分析所得到的是结构中每一点的应力值,而不是各分类应力,从工程设计的角度考虑,不仅要知道各点应力值,还须得到各类应力分量,然后进行校核。本文采用线处理法进行均匀化和线性化计算,路径选择为过最大应力点的筒体和接管的交接线,如图3所示三条选择路径:SCLA、SCLB、SCLC。三条路径应力线性化处理曲线见图4-6所示。
  比较每个校核位置(每条路径)在各种工况下的应力强度值,得到该位置最大的应力强度值,即该位置处最为危险的工况,校核此应力强度值即可。表1列出了各个位置最危险工况下的应力强度计算和校核结果。由此可见,各强度条件均满足,即该处开孔满足强度要求,并且大部分应力点仍有较大的裕量。
  表1 应力分量及评定结果
  3 结论
  (1)从计算结果可以看出,传统的计算方法是偏于保守的。在低压力设备中差别体现并不明显,但在高压压力容器领域,二者的差距是逐渐增大的。利用有限元分析法进行高压容器厚壁开孔分析设计,可以明显减少壁厚,降低设备重量,从而降低设备的成本;并且同时大幅缩小了设备的偏心力矩,使设备自身安装固定更加稳定,也减少了设备制造、加工的难度。
  (2)在筒体开孔连接处应力分布的规律是:在接管内部有倒圆角的情况下,应力最高处发生在接管与筒体的外表面连接处,接管或筒体在大于自身之外的距离应力受开孔影响很小。
  (3)目前对于压力容器厚壁开孔的计算方法有很多,各种方法有着各自的优缺点及适用场合,而有限元分析目前作为非常经济、可靠的一种设计方法,虽然在计算过程上相对复杂,但在计算机等辅助行业的不断发展下,其使用必将会逐渐简单化,从而逐渐代替其他的方法,其前景是非常广阔的。
  参考文献:
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