壓力容器開孔接管區的應力強度評定

秦富友，杜四宏

（1．河南省化工壓力容器檢測中心站，河南 鄭州 450000;2．中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

壓力容器開孔接管區的應力強度評定

秦富友1，杜四宏2

（1．河南省化工壓力容器檢測中心站，河南 鄭州 450000;2．中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

通過Ansys對壓力容器開孔接管區進行了有限元應力分析，得到了其受力特性和應力分布規律，并對其進行了應力強度評定。

壓力容器;接管;有限元分析;強度評定

在核工業、石油化工、輕工、電廠、化學化工、制藥等工業生產中廣泛使用的壓力容器，由于各種工藝和結構上的要求，常常需要在其上開孔并安裝接管。不斷出現的一些接管破壞導致容器失效的事故，引起了工程和科學研究人員的廣泛重視[1～2]。由于幾何形狀及尺寸的突變，受內壓殼體與接管連接處附近的局部范圍內會產生較高的不連續應力，引起開孔附近區域應力集中，在容器上造成局部高應力，從而嚴重影響容器的整體承載能力，該部位很有可能成為設備的破壞源，因此對開孔接管部位做詳細的應力分析和強度評定是確保壓力容器安全運行必不可少的內容。

容器開孔接管區的應力狀況非常復雜，這是因為一方面開孔破壞了殼體材料的連續性，削弱了原有的承載面積，在開孔邊緣附近必定會造成應力集中;另一方面接管的存在使開孔接管區成為總體結構不連續區，殼體與接管在內壓作用下自由變形不一致，在變形協調過程中將產生邊緣應力。同時，接管與殼體是通過焊縫連接在一起的，焊縫的結構尺寸如焊縫高度、過渡圓角等會造成局部結構不連續，形成局部不連續應力。因此，對這類應力的求解是相當復雜的，工程上常采用應力集中系數法、數值解法、實驗測試法和經驗公式來計算局部應力[3]。應力數值計算的方法比較多，如差分法、變分法、有限單元法和邊界元法等。近年來，在計算機技術和數值分析方法的支持下發展起來的有限元分析 （FEA，Finite Element Analysis）方法則為解決復雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑。

有限單元法的基本思路是將連續體離散為有限個單元的組合體，以單元節點的參量為基本未知量，單元內的相應參量用單元節點上的數值插值，將一個連續體的無限自由度問題變為有限自由度的問題，再利用整體分析求出未知量。顯然，隨著單元數量的增加，解的近似程度將不斷改進，如單元滿足收斂要求，近似解也最終收斂于精確解。ANSYS軟件是集機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程等一般工業和科學結構、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天的研究。ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，在合理的邊界條件下可獲得問題的精確求解。

為了揭示壓力容器開孔接管區的受力特性和應力分布規律，本文建立了壓力容器開孔接管的有限元分析模型，并對其進行了有限元分析計算和應力強度評定。工程實踐表明，其分析過程和計算結果可為試驗和生產提供參考和依據。

1 模型的有限元分析

1．1 問題描述

壓力容器筒體內徑 Di＝2000mm， 壁厚 tc＝30mm，接管外徑 do＝530mm，壁厚 tn＝15mm，壓力容器與接管的材料為16MnR。接管內伸長度Li＝195mm，外側過渡圓角r1＝30mm，內側過渡圓角r2＝15mm;內壓 p＝1．2MPa。 材料彈性模量 E＝2．0×105MPa，泊松比 μ＝0．3。 圓柱殼開孔接管的幾何尺寸如圖1所示。

1．2 網格劃分

由于僅考慮內壓作用下容器接管處的應力狀況，為此有限元分析模型可利用該結構的對稱性（模型在結構上是對稱的，同時載荷也是對稱的）取開孔接管區的1／4建模。根據圣維南原理，筒體長度及接管外伸長度應遠大于各自的邊緣應力衰減長度，因此，本文取圓柱殼長度L＝4000mm，接管外伸長度l＝500mm。由于接管與筒體相貫區附近有較高的應力集中，為保證其計算精度，網格劃分時此區域的單元尺寸應盡可能小一些，網格應密集一些。在遠離相貫區處，網格可以適當加大以減小計算量。為了使開孔接管處的網格比較密集，本文在單元尺寸控制上采用了指定線上的單元分割方式，選擇了8節點SOLID45的實體單元（即Bick 8Node 45）對結構進行離散化，進行網格劃分后的模型如圖2所示。

1．3 邊界條件

由于結構是軸對稱的，載荷也是軸對稱的，因此可將模型簡化為軸對稱問題。其對稱面施加對稱約束，接管端部約束軸向位移，施加完位移約束條件的有限元模型如圖3所示。壓力容器筒體內表面和接管內表面承受內壓P，接管內伸部分的外表面也承受內壓P，筒體端面施加軸向平衡面載荷Pc，并按如下公式進行計算:

將1．1中的數據代入上面的公式可得:

2 計算結果及強度評定

受內壓筒體與接管區的Tresca應力云圖如圖4所示。從圖中可以清楚地看出，最大應力發生在筒體與接管的連接區，達到274．22MPa。可見，筒體與接管的連接區域是容器最容易出現危險的部分，這與上面的論述相一致，也與工程實際相吻合。

我國的JB 4732-1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[4]要求對計算部分的應力做詳細的計算，按應力的性質、影響范圍及分布狀況將應力分類為一次應力、二次應力和峰值應力，對于不同性質的應力給予不同的限制條件。應力強度的評定方法可分為點處理法和線處理法，對于復雜結構還可以采用面處理法[5]。本文采用線處理法，即將容器危險截面上各應力分量沿應力分布線進行均勻化和線性化處理，并將得到沿應力分布線的平均應力（薄膜應力）、線性應力（彎曲應力）和應力的非線性部分，再根據應力對容器失效所起作用的大小分為一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次彎曲應力和峰值應力，并計算出不同應力類型及其組合的應力強度，要求相應的應力強度不超過各自許用值[6]。各應力強度的限制條件如下:

（1）一次總體薄膜應力強度Pm:

Pm≤1．0 Smt＝143．5

（2）一次局部薄膜應力強度Pl

Pl≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（3）一次薄膜應力（總體或局部）加一次彎曲應力強度Pm＋Pb:

Pm＋Pb≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（4）一次加二次應力強度 Pm＋Q:

SⅣ≤3Smt＝3×143．5＝430．5 MPa

（5）峰值應力強度:

SⅤ≤2Sa＝2×138＝276 MPa

根據應力處理線的劃定原則，針對受內壓的筒體和接管連接區在應力強度最大處劃出一條應力處理線，如圖5中直線所示（虛線為筒體與接管變形前的形狀，實線為筒體與接管變形后的形狀）。按照圖5選取的應力評定線進行應力強度評定，應力評定結果見表1。筒體與接管連接的區域能滿足強度要求。筒體與接管連接的區域是容器中的應力高強度區，也是容器最容易出現破壞的地方，因此在設計、制造過程中應保證該處的尺寸。另外，幾何形狀或尺寸的突然改變是產生應力集中的主要原因之一，因此，在筒體與接管連接處應盡量采用圓弧或經形狀優化的特殊曲線過渡以減少該處出的應力。

表1 筒體接管處的應力處理線評定結果

3 結論

經過對該結構的有限單元法分析計算，該受內壓筒體及接管在給定的結構尺寸和操作工況條件下，其強度滿足相應要求。分析過程和計算結果可為試驗和生產提供參考和依據。

[1] 薛明德．國外關于圓柱殼開孔接管問題的研究概況[J]．壓力容器．1991，8 （2）:4-9．

[2] 王志文．接管高應變區的二維模擬及失效評定曲線研究[J]．壓力容器．1996，13（4）:21-25．

[3] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．過程設備設計[M]．北京:化學工業出版社，2001．82．

[4]JB 4732-95，鋼制壓力容器——分析設計標準[S]．

[5] 賀匡國．壓力容器分析設計基礎[M]．北京:機械工業出版社，1995．26．

[6] 鄭津洋，等．基于整體有限元應力分析的齒嚙式快開壓力容器設計[J]．壓力容器，2003，20（7）:22．

Stress Strength Evaluation for Opening Tubing Connection on Pressure Vessel

QINFu-you1，DUSi-hong2
（1．Chemical Pressure Vessel Inspection Center of Henan Province Station，Zhengzhou 450000，China;2．China Nuclear Power Engineering Co．， Ltd．， Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450052， China）

To opening tubing connection on a pressure vessel，finite element analysis was used on the basis of Ansys， drawing its stress characteristics．With regard to dangerous section， the strength assessment was carried out．

pressure vessel; opening tubing connection; finite element analysis; strength assessment

TH 49

A

1671-9905（2011）07-0052-03

秦富友，男，河南省鄭州市東明路北17號，河南省化工壓力容器檢測中心站，主要從事鍋爐和壓力容器的檢測以及力學分析，13633829625

2011-04-29