熱套式超高壓容器筒體有限元分析及優(yōu)化

陳 浩，陳小敏，馬慧珍，江勝飛

（1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500; 2. 西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 瀘州 64600）

熱套式超高壓容器筒體有限元分析及優(yōu)化

陳 浩1，陳小敏1，馬慧珍1，江勝飛2

（1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500; 2. 西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 瀘州 64600）

使用有限元軟件對(duì)雙層熱套式超高壓容器的筒體在非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真模擬。并運(yùn)用等強(qiáng)度理論對(duì)筒體的壁厚和過(guò)盈量進(jìn)行了優(yōu)化，不僅減小了過(guò)盈量，降低安裝的工作難度，也使各層筒體應(yīng)力分布基本達(dá)到相等, 內(nèi)筒內(nèi)壁到外筒內(nèi)壁相當(dāng)應(yīng)力的變化率明顯減小，滿(mǎn)足了等強(qiáng)度理論從而最大限度地利用筒體材料。

超高壓；筒體；應(yīng)力分布；優(yōu)化；有限元

在石油化工行業(yè)等領(lǐng)域中，工作上超過(guò)100MPa的壓力稱(chēng)為超高壓，工作壓力此壓力以上的容器被稱(chēng)為超高壓容器[1,2]。超高壓容器在粉末冶金、人造水晶、地質(zhì)力學(xué)、航空航天、等靜壓處理等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用空間[3,4]。超高壓容通常是在非常高的壓力水平下工作，且結(jié)構(gòu)形式大都是圓筒形式，它在工作時(shí)受到三個(gè)方向的主應(yīng)力分別為[5]：周向、軸向和徑向，其中以周向應(yīng)力最大。周向應(yīng)力沿著徑向分布極其不均勻，這種不均勻性會(huì)隨著徑比K的增加越來(lái)越大。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)就不能僅靠增加筒體的厚度或更換材料來(lái)保證容器的承載能力，這就需要從改變筒體結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱套式超高壓容器的筒節(jié)之間有一定的過(guò)盈量，使筒體在使用前使筒體產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，屬于有限元分析中典型的接觸非線(xiàn)性分析[6]。本文將分析過(guò)程分為非工作狀體和工作狀態(tài)，這樣才能真實(shí)的模擬實(shí)際的工作過(guò)程。

1 有限元模型的建立

1.1 筒體結(jié)構(gòu)

本文以上海大隆機(jī)器廠(chǎng)設(shè)計(jì)的一個(gè)超高壓容器筒體為例[7], 設(shè)計(jì)工作壓力為500 MPa, 采用雙層熱套。內(nèi)筒幾何尺寸為?180 / ?310 mm, 外筒幾何尺寸為?310 / ?450 mm, 過(guò)盈量為0.556 mm。筒體材質(zhì)均為0Cr17Ni4Cu4Nb，材料力學(xué)性能見(jiàn)表1，筒體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

表1 材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of materials

1.2 建立幾何模型

高壓筒體的徑長(zhǎng)比較大，分析類(lèi)型為平面應(yīng)變問(wèn)題，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性用 1/4 橫截面建立計(jì)算模型[8]。

［2］陳志平，黃載生．超高壓容器爆破壓力計(jì)算式及其工程應(yīng)用[J]．化工設(shè)備,1992(4):12-15.

［3］張于賢．超高壓容器中自增強(qiáng)理論的研究及應(yīng)用[D]．重慶：重慶大學(xué)，2005．

［4］張于賢，王紅．關(guān)于厚壁圓筒自增強(qiáng)容器的理論研究[J]．機(jī)械，2004，31(08)：13-14．

［5］熊湘君，鄧福銘．超高壓技術(shù)研究[J]．礦冶工程，2001，21(01):62-65.

［6］張朝暉．ANSYS11.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008;

［7］傅衛(wèi)國(guó)，吳光華.自增強(qiáng)雙層縮套容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1989(5):29-33.

［8］曾 攀．工程有限元方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2010.

［9］徐長(zhǎng)江，李東升. 縮套式超高壓容器簡(jiǎn)體的有限元分析[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011(6):83-86.

［10］尚曉江，邱 峰，等．ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［11］邵國(guó)華，魏兆燦．超高壓容器[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［12］張于賢，王紅．縮套超高壓缸的最佳化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2006，22(05)：115-117．

［13］丁伯民，黃正林．高壓容器[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

Finite Element Analysis and Optimization of Shrunk-on Ultrahigh Pressure Vessel Shell

CHEN Hao1, CHEN Xiao-min1, MA Hui-zhen1, JIANG Sheng-fei2
（1. School Of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China 2. Southwest Oil and Gas Field in Southern Sichuan Gas Field，Luzhou 64600, China）

The stress distribution of cylinder of double-layer shrunk-on ultrahigh pressure vessel under non-working condition and working condition was simulated by using finite element analysis software. The strength theory was used to optimize wall thickness and interference of the cylinder, which not only could decrease the interference to reduce installation difficulty, but also make stress distribution of each layer of cylinder achieve equal, stress change of the inner wall, inner tube to outer tube wall could be decreased, the tube material could be saved.

Ultrahigh pressure; Shell; stress; Optimization; Finite

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0417-04

2014-09-09

陳浩（1963-），男，教授，碩士，1991年碩士畢業(yè)于原西南石油學(xué)院機(jī)械工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事教學(xué)與科研工作，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和機(jī)械設(shè)備工程。E-mail：ch91668@163.com。

陳小敏（1988-），男，碩士。E-mail：chenxiaomin1988@126.com。