夾套式容器大開孔的補強方法

李 淑 云

（撫順榮盛機械制造有限公司，遼寧 撫順 111419）

開孔在壓力容器設計中是不可避免的,開孔除削弱器壁的強度以外,在殼體和接管連接處破壞了結構的連續性,會產生很高的局部應力,給容器的安全帶來隱患.常規設計中,對容器的最大開孔直徑都有限制,如我國國家標準GB150-2011《壓力容器》，采用等面積補強法，規定圓筒開孔：當其內直徑Di≤1 500 mm 時，開孔最大直徑d≤Di/2 ，且d≤520 mm ；當其內直徑Di＞1 500 mm 時，開孔最大直徑d≤Di/3，且D≤1 000 mm 。承受內壓的殼體，有時不可避免的要出現大開孔[1,2]。當開孔直徑超過標準中允許的的開孔范圍時，孔周邊會出現較大的局部應力，因而不能采用等面積補強法進行補強計算。目前對大開孔的補強常采用基于彈性薄殼理論解的圓柱殼接管補強法、壓力面積法和有限單元等方法進行設計。

按照鋼制壓力容器分析設計規范中的應力分類法，容器大開孔后引起的應力有：局部薄膜應力和彎曲應力，由于應力集中現象引起的峰值應力。這三種應力對容器的破壞和加載方式密切相關，因此，在壓力容器設計中，必須對它們區別對待，并選擇合適的補強方法。針對某制造廠生產的夾套式容器的結構特點，本文應用有限元軟件ANSYS，對容器大開孔接管部位進行應力分析，采用分析設計準則進行強度校核，并與壓力面積法比較來驗證其安全性[3-5]。

1 有限元模型

1.1 模型建立

依據容器實際結構建立有限元模型，筒體總長2 180 mm，內筒內徑Di=1 840 mm，夾套內徑D2=1 940 mm，在距離殼體一端1 451 mm的位置垂直于軸線開di=1 046 mm的圓孔，殼體內部設計壓力P=1.76 MPa，夾套內設計壓力P2=0.3 MPa ，設計溫度T=100 ℃，殼體名義厚度δ=25 mm，外筒名義厚度δ2=10 mm ，接管名義厚度δt=25 mm ，殼體、夾套和接管材料均為Q345R，設計條件下的許用應力強度[σ]=188 MPa 。

充分考慮該容器結構和載荷特點，選取殼體和開孔接管的1/2進行分析，由于整個筒體兩端有不同的連接部件，分別簡化兩端結構，建立模型，有限元模型如圖1所示。在內筒內外表面和夾套內表面均勻施加作用的壓力，位移約束采用沿對稱剖分面的對稱約束，限制此方向上的自由度。采用四面體單元solid 20 node 95進行網格劃并進行應力分析，單元材料的彈性模量E=2×105MPa ，泊松比μ=0.3。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite model

1.2 計算結果與分析

在壓力作用下，開孔部位應力分布如圖2。

圖2 開孔部位應力分布Fig.2 Openings stress distribution

應力集中區域為接管和筒體連接部位，對此處定義多條路徑并提取應力值進行強度校核。按照分析設計標準JB4732-95中的分析設計準則進行應力強度校核，即一次薄膜應力強度的許用極限為1倍的設計應力強度；一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用極限為 1.5倍的設計應力強度[6,7]。各分析路徑上具體的應力強度評定如下：

內筒和接管連接處一次局部薄膜應力強度：

內筒和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應力強度：

夾套和接管連接處一次局部薄膜應力強度：

夾套和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應力強度：

2 壓力面積法分析計算

2.1 壓力面積分析法

壓力面積分析法是以受壓面積和承載面面積的力平衡為基礎的方法,即壓力在受壓面積上形成的總力與有效補強范圍中δ的殼體、接管和補強材料的面積所具有的承載能力相平衡[8]。工程上常用該法對開孔率超出等面積適用范圍的大開孔進行補強，結合圖3，壓力面積法的計算通式為：

Ap：補強有效范圍內的壓力作用面積，mm2；

Aσ：殼體、接管、補強金屬的有效承載截面積 mm2；

[σ]：設計溫度下材料許用應力，MPa；

P：設計壓力 MPa；b：殼體上有效補強寬度；

h1：接管外側補強有效高度，mm；

δ：殼體厚度，mm；

δt：接管厚度，mm；

c＇：接管壁厚附加量，mm；

c：殼體壁厚附加量mm。

2.2 壓力面積法計算結果

依據鋼制化工容器強度設計規定中的壓力面積補強法對此大開孔進行計算，其尺寸和材料和上一節相同（圖3）。

圖3 壓力面積法計算圖Fig.3 Calculation chart of pressure area method

接管外側補強的有效高度：

殼體補強的有效寬度：

可見補強滿足要求。

按照壓力面積補強法相同的步驟對外夾套進行強度計算，其強度也滿足要求。壓力面積法是建立在一次加載方式下靜力強度基礎上的補強方法。其補強范圍相對較小，具有密集補強的特點，可以有效降低開孔接管部位的應力集中，從而相貫殼體部位更趨于安全，這也是壓力面積法常用于壓力容器大開孔的原因。

圖5 各類磨損顆粒掃描電子顯微鏡-能譜分析結果Fig.5 The SEM results of variable wear particles

4 結束語

（1）通過上述綜合分析結果判斷：發動機軸承存在異常的磨損，應立即停止試驗。發動機分解后進行檢查，發現軸承的滾珠表面失去金屬光澤，有明顯的麻坑；內外環跑道存在過熱灼燒的痕跡和磨損；保持架表面有輕微磨損。驗證了磨損顆粒綜合分析結果的準確性。

（2）光譜分析、自動磨粒分析、鐵譜分析、電子顯微鏡-能譜分析等四種技術各具特點、互為補充。綜合利用上述分析技術，能夠及時發現磨損故障隱患，準確判斷異常磨損部位，有效、快捷的進行磨損故障的預先診斷，提高發動機運行的可靠性和安全性。

［1］Fitch,E.C.Fluid Contamination Control[R]. FES Inc., 1988.

［2］呂伯平，陳明華. 航空油液監測技術[M]. 北京:航空工業出版社，2006.

［3］嚴新平，謝友柏，蕭漢梁. 油液監測技術的研究現狀與發展方向[J].中國機械工程，1997，8（1）：102-105.

［4］卿華，王新軍. 飛機油液監控技術[M].北京:航空工業出版社，2011.

［5］王立東,石成江.光譜與鐵譜的原理及其在設備診斷中的應用[J].哈爾濱軸承,2008,29(3): 52-55.

［6］楊宏偉，謝鳳，鐘新輝，吳超，楊士亮.基于潤滑油狀態監控的發動機故障診斷[J].合成潤滑材料，2009，36（4）40-42.

［7］董宏軍，趙海波，李峰秋.我國油液分析技術現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2004，32（6）：10-11.

［8］費逸偉，張冬梅，姜旭峰.油液監測技術及其在航空發動機故障診斷中的應[J].航空發動機，2004,30(3): 45-48.

［9］徐金龍，易如娟.基于自動磨粒分析技術的直升機在用發動機油界限值的研究[J].潤滑與密封，2012，37（2）: 110-116.

［10］許斌，余學軍.油液分析技術在設備維修中的應用與研究[J].潤滑油，2006，21（2）：61-64.

［11］王景霖，李艷軍，陸亦彬，毛國強.航空發動機健康監測技術研究[J].飛機設計，2009，29（3）：56-70.