壓力容器切向開孔接管區的應力分析設計

宋偉斌 唐志成

【摘 要】壓力容器開孔接管的主要目的是為了符合工藝過程要求，但也造成開孔接管區具有非常復雜的應力狀態。本文主要對壓力容器切向開孔接管區應力進行了比較和分析，在掌握壓力容器的筒體、接管以及連接部位應力狀況的基礎上，比較了壓力容器正交開孔接管區以及切向開孔接管連接部位的應力狀況。本次研究表明，壓力容器切向開孔接管區出現了較為明顯的應力集中狀況，并且隨著接管與筒體連接距離增加逐漸降低了應力系數，具有足夠的切向接管強度。

【關鍵詞】壓力容器 切向開孔接管 應力分析

目前在電廠、石油化工、制藥以及核工業等工業生產中廣泛應用的是壓力容器開孔接管，起著較為重要的作用。一般來說，在實際工業生產中大多采用的壓力容器屬于正交開孔接管或者斜接管連接的形式，壓力容器切向開孔接管區的應用是為了滿足某些工藝生產的條件需要[1]。內部或外部承受氣體或液體壓力，并對安全性有較高要求的密封容器。隨著我國石油及化學等工業的發展，對壓力容器提出了更高的要求，在實際應用的過程中越來越加大了壓力容器工作溫度范圍及容量，并且某些工藝生產還需要具有耐介質腐蝕性質。為了便于物料流動以及設備的檢修，因此在實際化工生產的過程中需要在壓力容器上添加安全閥以及壓力表等輔助設備，但開孔接管會在一定程度上增加開孔或接管區域應力，導致應力過于集中，從而對設備的承載能力造成較為嚴重的影響。有限元分析方法能較為準確地分析及設計壓力容器開孔接管區的應力，從而確保壓力容器在實際應用過程中的高效及安全。

1 幾何模型尺寸及特性

本次研究中，采用有限元分析方法對壓力容器進行分析的過程中將溫度控制在25℃左右，且施加的內壓為0.1Mpa。本次研究中采用的幾何模型尺寸及特性主要為：筒體內徑為2000mm，壁厚為30mm，材料為16MnR，彈性模量為2.1×105，泊松比為0.3v；接管內徑為300mm，壁厚為15mm，材料為16MnR，彈性模量為2.1×105，泊松比為0.3v。

2 應力分析

2.1 幾何模型及載荷

本次模擬中使用的有限元模型是根據壓力容器的結構特性和載荷特征而選用的對稱1/2模型。但由于壓力容器的結構及載荷均為軸對稱，所以在實驗的過程中可以在其對稱面施加一定的對稱約束，并且在接管端部施加一定量的軸向位移約束[2]。在本次模擬的過程中于壓力容器的筒體及接管內表面施加0.1Mpa的壓力載荷，并且忽略重力及外壓對結果的影響。

2.2 應力分析結果

本次研究中筒體上正交開孔接管應力等值線，我們可以明晰地看到：應力值在距離壓力容器開孔接管處較遠的地方無明顯變化，因此此處的應力值基本上屬于筒體本身的薄膜應力；而應力值變化幅度最大的地方在于壓力容器開孔接管連接區，此處的應力非常集中，應力值max為15.58MPa。從表面連接邊緣處應力分布狀況及曲線圖我們可以得出，應力呈現出較為對稱的分布狀況主要是集中于壓力容器接管與筒體連接區內的表面，并且在此區域中最大應力值主要是分布于壓力容器的接管與筒體連接區域的左右兩側，應力值max為8.71MPa。

壓力容器筒體上切向開孔接管區的應力狀況中我們可以看出，在應力最大的系數值于壓力容器筒體與接管相切處，應力集中系數max為6.76，并且在該區域附近的出現較為明顯的應力變化大及應力梯度較大狀況[3]。其中應力系數相對較小的區域在開孔部位附近筒體壁面，在此區域應力集中系數max為5.01。因此我們可以得出應力集中系數值在壓力容器切向開孔接管形式中較大[4]。在內表面連接邊緣處應力分布狀況及曲線圖我們可以看出，應力狀況在壓力容器接管與筒體連接區的表面處于左右基本對稱的狀況，但這種對稱的狀況并不體現在其上下分布區域，并且在接管與簡體相切處的內側出現最大應力值，為27.3MPa。

通過上述的研究中我們可以得出，應力值在距離壓力容器開孔接管處較遠的地方無明顯變化，因此此處的應力值基本上屬于筒體本身的薄膜應力；而應力值變化幅度最大的地方在于壓力容器開孔接管連接區，此處的應力非常集中。在應力最大的系數值于壓力容器切向開孔接管區筒體與接管相切處，因此切向開孔接管區與正交開孔接管相比，筒體上切向開孔接管容易在應用的過程中變為大開孔結構，從而在一定程度上加劇筒體幾何的不連續性，導致更大的應力值出現[5]。因此在實際應用的過程中應該盡可能地選擇正交接管形式。

3 結語

一般來說，在目前在電廠、石油化工、制藥以及核工業等工業生產中大多采用的壓力容器屬于正交開孔接管或者斜接管連接的形式，壓力容器切向開孔接管區的應用是為了滿足某些工藝生產的條件需要。本次對壓力容器切向開孔接管區應力狀況采用有限元分析軟件進行分析的過程中，可以發現在連接區域出現較為明顯的應力集中狀況，且應力最大值均位于壓力容器與接管相切處的內側，隨著距離的增加其應力集中系數將隨之減小。由于切向開孔接管區筒體上切向開孔接管容易在應用的過程中變為大開孔結構，從而在一定程度上加劇筒體幾何的不連續性，導致更大的應力值出現。因此在實際應用的過程中應該盡可能地選擇正交接管形式。本次研究結果說明壓力容器切向開孔接管區具有足夠的強度，符合安全生產的要求。但還需要加強對開孔接管區的強度狀況進行評定，分析研究封頭上切向接管應力，確保其在生產過程中的安全性及可靠性。

參考文獻：

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