乙二醇蒸發器大開孔結構應力分析與強度校核

陳 琦 李可為 張清華 石 瑞 李少華 蔣文春

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

隨著石油化工行業的快速發展，壓力容器大開孔結構越來越普遍。但開孔后由于結構連續性被破壞，開孔和接管部位成為壓力容器的薄弱區域。薛明德等致力于研究大開孔結構，并制定了一套合理的壓力容器大開孔補強設計方案[1]。隨著有限元技術的發展，分析設計法在結構強度設計中得到越來越多的應用。文獻[2]對內壓容器大開孔接管補強方法進行了分析，針對目前補強方法的不足和局限性，提出了采用三維有限元數值法分析大開孔接管補強問題，并給出了具體的實施方案。文獻[3]通過對比、分析有限元應力分析法和壓力面積法，最后得出與壓力面積法相比，有限元應力分析法更合理、安全且可靠的結論。

筆者采用有限元法對乙二醇蒸發器大開孔結構和補強圈結構進行了應力分析和強度校核，并通過改變內壓計算出該筒體所能承受的極限載荷。

1 有限元模型

某乙二醇蒸發器(圖1)的筒體內徑為800mm、厚10mm。根據工藝要求，需在筒體上開一個內徑為700mm的孔，接管厚度為8mm。但根據GB 150-2011[4]的規定，此圓筒最大開孔直徑不能超過520mm，因此需要進行補強。經設計計算，補強圈寬200mm、厚10mm。

圖1 乙二醇蒸發器結構簡圖

筒體所盛介質為易燃介質乙二醇，設計溫度為230℃。筒體最高工作壓力為0.1MPa，設計壓力為0.2MPa。筒體主要受壓元件材料為0Cr18Ni9。在設計溫度下，廠方提供的0Cr18Ni9材料的力學參數有：彈性模量為189GPa，泊松比為0.295，許用應力Sm=122MPa。

由于該結構對稱分布，因此只需建1/2的三維模型來進行整體模型的受力分析。用有限元軟件ABAQUS軟件建立乙二醇蒸發器三維模型，其網格劃分如圖2所示。

圖2 乙二醇蒸發器的1/2三維模型及其網格劃分

根據計算要求，以內筒設計壓力0.2MPa為載荷進行計算。筒體內表面施加0.2MPa的壓應力時，根據力的平衡原理，右側截面施加的拉應力為3.95MPa，上端面施加的應力為4.32MPa。

2 計算結果與分析

2.1應力評定與分析

圖3為乙二醇蒸發器mises應力分布云圖，從圖3可以看出：筒體與筒體連接部位的結構不連續，產生了較高的應力集中；最大應力強度發生在兩筒體的連接處，其值為112.2MPa。

圖3 乙二醇蒸發器應力分布云圖

根據JB/T 4732-1995[5]對筒體與筒體連接部位進行應力分析與強度校核。應力評定準則為：一次局部薄膜應力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜應力加一次彎曲應力PL+Pb≤1.5Sm。一次總體薄膜應力評定均合格，最大值為34.6MPa。

在結構不連續處(即應力最大處)沿厚度方向取路徑P1進行應力線性化。由應力線性化數據可知：一次局部薄膜應力PL=42.1495MPa<1.5Sm=183MPa，符合強度要求；一次局部薄膜應力加一次彎曲應力PL+Pb=48.0MPa<1.5Sm=183MPa，符合強度要求。

2.2受不同內壓時的應力評定與校核

在保證其他參數不變的情況下，通過改變內壓計算該筒體所能承受的極限載荷。將內壓從0.2MPa增至0.7MPa，研究應力強度隨內壓的變化規律，并對其進行線性擬合(圖4)。由圖4求出滿足強度要求的極限載荷為0.77MPa。

圖4 應力強度隨內壓的變化規律

3 結論

3.1內壓為0.2MPa時，一次局部薄膜應力為42.1MPa，一次局部薄膜應力加一次彎曲應力為48.0MPa，均滿足強度要求。

3.2通過改變內壓計算得到滿足強度要求的極限載荷為0.77MPa。

[1] 薛明德，李東風，黃克智. 支管外力矩作用下帶徑向接管的圓柱殼的局部應力分析[J]. 壓力容器，2004，21(1): 18～23，33.

[2] 張紅才. 壓力容器大開孔補強結構強度有限元分析[J].石油化工設備，2005，34(3): 24～26.

[3] 黃克敏，楊翀. 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(工科版)，2002，24(1): 33～34.

[4] GB 150-2011，鋼制壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[5] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京: 新華出版社，1995.