橢圓封頭中心接管在內壓及彎矩作用下的應力分析

李 程，王茂廷，龔 雪，呂 明

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

為了滿足操作工藝的要求，化工容器必不可免的要在容器的筒體或是封頭上開孔并連接接管，這對容器殼體的應力分布與強度都有顯著的影響。由于封頭上開孔并連接結果，削弱了封頭的強度，破壞了結構的連續性，使得封頭和接管連接區域必將存在復雜的應力，使該部位成為容器強度、剛度和穩定性的薄弱環節，引起了工程設計人員的高度關注。在化工容器設計中,對開孔接管問題。一方面是研究開孔接管處的應力分布情況和應力集中程度;另一方面是研究接管連接部位的加強結構，以便在強度上使容器殼體因開孔受到的削弱得到合理的補強。在壓力容器中，除了內壓之外，往往還承受著諸如彎矩，扭矩等復雜載荷條件，在這方面的計算報告較少，使得工程人員在設計傳遞復雜附加載荷的橢圓封頭中心接管結構時，缺少計算方法和可能借鑒的設計案例［1,2］。

本文將通過以某壓力容器上的橢圓封頭中心接管為例，研究其在內壓及接管彎矩作用下的應力分析。

1 結構及尺寸

所研究的設備主要是由封頭以及中心接管組成的，筒體的連接方式為焊接結構。

假設法蘭接頭結構中各個元件的材料均為線彈性材料，其材料屬性參數參見表1-3。

表1 設備的主要尺寸Table 1 The main dimensions of the equipment

表2 設備的材料屬性Table 2 The material properties of the equipment

表3 設備的設計數據Table 3 The design data of the equipment

2 有限元分析模型

2.1 實體模型

橢圓封頭中心開孔接管結構具有集合對稱軸的特點，但是由存在接管彎矩，載荷是非軸對稱的，因此有限元計算不能采用抽對稱模型。只能采用1/4或是1/2模型，而本模型僅考慮了接管力中的彎矩，所以采用1/2模型進行有限元計算。實體模型如圖1所示。

圖1 橢圓封頭中心開孔接管1/2模型Fig.1 Elliptical head center open hole over 1/2 model

2.2 網格劃分

筒體、接管和封頭均采用的是Solid186單元，由于選用1/2模型進行分析，因此為了得到比較理想的網格劃分，故對接管和筒體進行手動限制單元大小，之后使用掃掠的方式對封頭部分進行整體掃掠。共劃分單元 26 331個，節點4 621個。，網格剖分及加載情況見圖2［3］。

圖2 橢圓封頭中心開孔接管網格劃分Fig.2 Grid division of elliptical head with center nozzle

2.3 載荷與邊界條件

模型兩側需要施加對稱約束；

筒體底端要約束Y方向位移；

容器內壓力為0.2 MPa；

接管端部彎矩1 000 000 N·mm；

接管端部軸向平衡面載荷3.89 MPa［4］。

3 橢圓封頭中心開孔接管結果分析

由圖3應力強度分析圖所示，可以看出施加0.2 MPa內壓值后的變形及應力分布情況。在途中可以看出整個系統中應力強度最大的地方是接管與封頭連接處，該處的應力強度值為107 MPa［5］。

4 強度評定

由圖3應力強度分析圖所示，可以看出最大應力強度發生在接管根部的內壁，貫穿接管的內外壁取應力評定處理線，利用ANSYS的線性化處理程序進行處理，可得到該處理線上的薄膜應力、彎曲應力及薄膜、彎曲應力強度［6］。

根據 JB4732-1995，封頭接管分布在外部載荷或力矩，或內壓作用下，其薄膜應力為局部薄膜應力，彎曲應力為二次應力，故該結構可進行應力評定如下：

PL=58.34 MPa<1.5 Sm(169.5 MPa)

PL+Pb+Q=103.6<3 Sm(339 MPa)

因此，結構滿足強度要求。

圖3 橢圓封頭中心開孔接管結果分析Fig.3 Elliptical head center open hole over the results analysis

5 結 論

（1）開孔接管的應力分析是個頗為復雜的問題,而在工程實際上又是個現實而重要的問題。由于結構的特殊性, 容器殼體上的一些特殊方位的接管結構, 是很難得到滿意的解析的, 而利用ANSYS接觸分析不失為一種有效、可靠的方法。

（2）橢圓封頭水平切向接管結構應力分布的顯著特點之一是, 不僅在接管和封頭殼體連接的相貫線上出現較大的應力強度, 而且在連接處接管壁上也出現較大的應力強度。

（3）根據連接部位的應力分布特點, 確定封頭殼體和接管同時加強的結構合理可行。

［1］ 張薇.帶有接管的橢圓形封頭結構應力分析及評定[G].大慶油田工程有限公司:油氣田地面工程,27(7).

［2］ 淡勇，李俊菀，李會強.橢圓封頭水平接管部位應力分析和加強效果研究[J].化工機械，2009，36(6): 570-574.

［3］ 余偉煒，高炳軍，等．ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．

［4］ 薛明德, 孔合堂, 田麗珊. 球殼開孔接管的分析設計方法及其實驗驗證[J]. 壓力容器, 1989, 6( 1): 34-42.

［5］ 淡勇，陳志良，李俊菀.復雜載荷作用下的橢圓封頭-接管連接加強結構設計[J].石油化工設備技術，2009，30（6）:27-31.

［6］ 黃克敏，楊種.內壓容器大開孔接管補強分析方法的探討[J].南昌大學學報，2002，24(1):48-50.