開孔補強中法蘭結構對模型的影響

呂明，李成龍，馮敏

開孔補強中法蘭結構對模型的影響

呂明，李成龍，馮敏

（中國石油撫順石化公司烯烴廠， 遼寧 撫順 113001）

在壓力容器大開孔計算中,常常使用有限元方法，傳統有限元模型只考慮到接管對補強的影響,結果相對保守。在低壓大開孔計算中法蘭結構常常起到加強接管補強的作用。對不同厚度下的無法蘭與帶法蘭模型進行了有限元計算和比較，并總結了接管伸出長度對帶法蘭模型的影響。

開孔補強；有限元計算模型；接管伸出長度；法蘭力矩

隨著石油化工行業的大型化發展，大開孔結構在壓力容器中越來越常見。傳統等面積補強法已經不適合大開孔的計算。使用應力分類法越來越得到認可。其中有限元方法的迅速發展得到了設計人員的普遍使用。在使用有限元方法前，首先是對模型的簡化［1］。在大開孔計算中，存在兩種模型的簡化，一種是參照等面積法，只考慮到補強面積的接管材料對開孔的作用，另一種是考慮整個接管模型對開孔補強的作用。第一種方法模型簡單，求解方便，但是某種程度上對開孔模型簡化得過于簡單，計算結果可能較保守；第二種方法考慮了全部計算模型，真實地求得了開孔處的應力分布，但是模型復雜。下文著重討論了兩種模型的對比。

1 計算模型及方案設計分析

1.1 模型參數

假設某圓筒直徑1 000 mm，在筒體上開500 mm的孔，具體結構尺寸見表1和表2，分別對其在不帶法蘭和帶法蘭情況下的變形進行討論。

1.2 方案設計

（1）模型和網格

由模型的結構的幾何特點，取結構1/4建立模型。網格劃分采用20節點六面體單元。不帶法蘭結構和帶法蘭結構的模型見圖1［2］。

表1 筒體及接管參數表Table 1 Cylinder and tube parameters list

表2 法蘭數據參數表Table 2 Flange data list

圖1 兩種力學模型及網格劃分Fig.1 Two kinds of mechanical model and meshing

（2）邊界條件

簡化模型邊界條件為：

（a）位移邊界：

在1/4對稱截面處分別施加對稱約束；

（b）力邊界：

不帶法蘭結構在接管端面施加等效面力；

帶法蘭結構在法蘭端面分別施加螺栓力和墊片反力；

1.3 計算結果討論

兩種模型計算結果見圖2-3。在第一種情況下，模型在受到內壓的作用下向外膨脹，且接管在等效拉應力的作用下把筒體外拉。由于接管端面無位移約束，且無剛性加強，因此接管端面變形較大，最終接管端面呈現為橢圓形［3］。在這種變形下，使得接管和筒體交界處開孔應力集中現象更加突出。且接管出現的橢圓形違背了實際情形下的接管端面變形形狀。使得計算應力偏大，最終導致計算結果區域保守。

對帶法蘭結構的計算模型分析計算得到，由于法蘭結構對接管端面剛性的加強，接管端面存在很小的變形，筒體橫向剖分面外凸、軸向剖分面內凹的變形會小很多，這樣就使得接管和筒體相交處的應力集中趨于緩和，更能得到準確的應力分布。

圖2 兩種模型橫后剖面上應力云圖比較Fig.2 Comparing the stress cloud profile cross of two models

2 法蘭模型伸出長度對接管開孔補強計算結果的影響

上節主要考慮了法蘭的作用對接管的影響，得到的結論是法蘭的作用能大大減緩應力集中。本節主要討論了不同伸長接管條件下，法蘭的作用。

圖3 兩種模型頂部應力云圖比較Fig.3 Comparing the top stress cloud of two models

不同接管伸出長度的法蘭模型應力線性化如圖4所示。

圖4 不同伸出長度下法蘭模型應力計算結果Fig.4 Stress calculations of model with flange under the conditions of different nozzle length

從圖 4可以看出,當接管外伸較小時,法蘭的剛性作用對接管補強效果表現的較明顯，值得注意的是，此處的接管外伸長度至少要保證按照等面積補強條件下的接管外伸長度。

隨著接管長度的增加，法蘭的剛性效果越來越小直到不起作用。這是因為接管的伸長一方面起到了補強面積的作用，另一方面也起到了增強剛性的作用，當接管外伸達到一定長度時，應力大小基本不變［4］。

3 結 論

（1）從帶法蘭和不帶法蘭模型的計算分析得出，帶法蘭模型情況下更能準確的體現筒體和開孔處應力分布情況，不帶法蘭結構有限元模型計算結果顯得比較保守。

（2）接管伸出長度對法蘭作用的影響，在外伸長度較小的情形下，法蘭的作用很明顯，隨著外伸長度的不斷加大，法蘭的作用慢慢降低，逐漸不起作用。

（3）分析發現在接管厚度較薄時，法蘭的作用明顯，隨著接管厚度不斷加大，法蘭起到的剛性作用逐漸減小以至于忽略。

（4）建議在分析大開孔時，建立完整的計算模型，從而得到準確的應力分布，最終得出合理的設計結論。

［1］ 梅林濤，壽比南. 法蘭對壓力容器接管有限元結果影響的研究[J].壓力容器，2001，18（9）：150-152.

［2］ 秦富友，杜四宏. 壓力容器開孔接管區的應力強度評定[J]. 化工技術與開發，2011，40（7）: 52-54.

［3］ 余偉煒，高炳軍. ANSYS在機械與化工設備中的應用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

［4］ JB 4732-1995, 鋼制壓力容器-分析設計標準[S].

Impact of the Flange on Opening Reinforcement Calculation Model

LV Ming，LI Cheng-long，FENG Min
（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Factory, Liaoning Fushun 113001, China）

Calculation of large opening for the pressure vessel often uses the finite element method; the conventional finite element model only considers the impact of nozzles on the reinforcement, so the result is conservative. The flange structure in low pressure large opening calculations can often strengthen the reinforcement role of nozzles. In this paper, finite element calculation and comparison of models without flange or with flange under different thickness were carried out; influence of nozzle’s length on the model with flange was investigated.

Opening reinforcement; Finite element model; Tube extended length; Flange torque

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）04-0850-02

2015-02-12

呂明（1987-），男，遼寧撫順人，助理工程師，碩士學位，2013年畢業于遼寧石油化工大學化工過程機械專業，研究方向：從事化工生產技術工作。E-mail：lnfslvming@163.com。