鍋爐孔口危險(xiǎn)區(qū)域的有限元應(yīng)力分析與改進(jìn)

任 毅 楊曉鵬 李偉峰 朱 凱 尹 倩 陳慶元

(1.中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部；2.中國石油天然氣管道工程有限公司；3.中國石油大港油田分公司勘探事業(yè)部)

鍋爐孔口危險(xiǎn)區(qū)域的有限元應(yīng)力分析與改進(jìn)

任 毅*1楊曉鵬1李偉峰1朱 凱2尹 倩2陳慶元3

(1.中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部；2.中國石油天然氣管道工程有限公司；3.中國石油大港油田分公司勘探事業(yè)部)

運(yùn)用三維靜態(tài)有限元軟件分析了鍋筒和接管連接處的孔口強(qiáng)度和孔口應(yīng)力集中情況。分析了不同路徑下的鍋爐孔口位移場和應(yīng)力場，并利用第三強(qiáng)度理論對應(yīng)力進(jìn)行了校核。模擬分析了帶加強(qiáng)板的鍋爐孔口部位的位移和應(yīng)力狀況，結(jié)果表明：有加強(qiáng)板時(shí)最大位移為0.711mm，比無加強(qiáng)板時(shí)減小了35.30%，加強(qiáng)板可以有效減弱鍋筒和接管連接處的應(yīng)力集中。

鍋爐孔口 應(yīng)力分析 加強(qiáng)板 第三強(qiáng)度理論 Ansys

鍋爐的主要承載部件上均需要設(shè)置各種形狀的開孔接管結(jié)構(gòu)[1]，而這些開孔或接管不但削弱了部件的強(qiáng)度，而且在承載殼體與接管的連接處破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性[2]。因此，這些承載部件極易在內(nèi)壓力等載荷的作用下，由于變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力[3]。而開孔區(qū)域的應(yīng)力值通常能夠達(dá)到未開孔時(shí)的數(shù)倍，并在孔口區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況[4]。同時(shí)，開孔接管部位通常還存在連接主殼體和接管的角接焊縫[5]，這些焊縫及其熱影響往往使設(shè)備出現(xiàn)缺陷，而在高應(yīng)力的作用下，這些缺陷容易擴(kuò)展開裂進(jìn)而造成設(shè)備損壞[6]。因此，開孔接管部位是設(shè)備部件設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)位置，對它們進(jìn)行分析和研究對壓力容器的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[7]。筆者對焊接倒角孔口處應(yīng)力場的變化規(guī)律和影響因素進(jìn)行了Ansys有限元仿真分析與研究，并對結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)力校核，對帶有加強(qiáng)板的孔口模型進(jìn)行了對比分析，以便對鍋爐孔口部位應(yīng)力進(jìn)行分析并在實(shí)際工況下對開孔部位進(jìn)行合理補(bǔ)強(qiáng)。

1 內(nèi)外焊接倒角鍋爐孔口的有限元分析

1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

鍋爐孔口區(qū)采用內(nèi)外焊接的圓角過渡形式，接管伸到筒體內(nèi)的尺寸大于15mm，這種形式可以很好地保證接管與筒體的連接。

筒體端部軸向平衡面的計(jì)算壓力pc為：

pc=pi×Rci2/(Rc02-Rci2)

根據(jù)容器的設(shè)計(jì)參數(shù)，選取16MnR板材制作容器筒。材料的屈服強(qiáng)度為345MPa，泊松比為0.3，彈性模量為188.4GPa。結(jié)構(gòu)尺寸用于建立有限元模型，溫度、壓力等參數(shù)用于施加載荷和約束，因此16MnR材料參數(shù)與孔口分析計(jì)算參數(shù)具體如下：

計(jì)算壓力pc2.75MPa

內(nèi)壓pi2.75MPa

筒體計(jì)算內(nèi)半徑Di1 000mm

筒體內(nèi)半徑Rci1 000mm

筒體厚度tc30mm

筒體外半徑Rco=Rci+tc=1030mm

筒體長度Lc4 000mm

接管外半徑Rno530mm

接管厚度tn30mm

接管內(nèi)半徑Rni=Rno-tn=500mm

接管外伸長度Ln500mm

焊縫外側(cè)的過渡圓角半徑Rr130mm

筒體與接管內(nèi)的過渡圓角半徑Rr215mm

筒體端部軸向平衡面的載荷Pc45.16MPa

計(jì)算溫度T320℃

伸長率 19%～21%

1.2建模與區(qū)域離散化

建模采用SOLID98單元，該單元是四面體單元，可以進(jìn)行力熱耦合計(jì)算，尤其適用于耦合場高度非線性的情況。

在區(qū)域離散中，對于由面經(jīng)過拖拉、旋轉(zhuǎn)及偏移等方式生成的復(fù)雜三維實(shí)體而言，可先在原始面上生成殼單元形式的面網(wǎng)格，然后在生成體的同時(shí)自動(dòng)形成三維實(shí)體網(wǎng)格[6]。對于已經(jīng)形成的三維復(fù)雜實(shí)體，如果它在某個(gè)方向上的拓?fù)湫问绞冀K保持一致，則可用人工或全自動(dòng)掃略網(wǎng)格劃分功能來劃分網(wǎng)格[8]。鍋爐孔口的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 鍋爐孔口的網(wǎng)格劃分加密圖

添加邊界條件，施加計(jì)算溫度和計(jì)算壓力并進(jìn)行求解。經(jīng)過后處理后可以得到，最大位移發(fā)生在下部對稱面上，其值為1.099mm。

2 有限元應(yīng)力分析與數(shù)據(jù)處理

2.1不同路徑下的應(yīng)力分析

通過對路徑進(jìn)行提取，觀察所需部分或者連接處的應(yīng)力數(shù)值變化情況。判斷局部危險(xiǎn)點(diǎn)，并依據(jù)應(yīng)力曲線和位移曲線，獲取最大應(yīng)力、最大位移位置等計(jì)算結(jié)果。

圖2為一條離焊縫稍遠(yuǎn)的路徑，模擬的是孔口內(nèi)部較容易出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，計(jì)算結(jié)果顯示路徑底部應(yīng)力值最小，應(yīng)力由176.212MPa穩(wěn)步增大到188.039MPa，變化幅度較小。圖3為一條由內(nèi)部到外部通過焊縫的路徑，模擬的是孔口較容易發(fā)生裂紋或折斷的區(qū)域，計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力變化幅度同樣較小，但外側(cè)焊縫處應(yīng)力為所求最大應(yīng)力。

圖2 鍋爐孔口路徑提取1

圖3 鍋爐孔口路徑提取2

圖4為一條由右向左的焊縫外表面節(jié)點(diǎn)路徑，用以判斷焊縫上的危險(xiǎn)點(diǎn)，后處理結(jié)果顯示應(yīng)力由初始點(diǎn)開始呈遞減趨勢，可見右側(cè)應(yīng)力集中程度較大。圖5為一條筒體與接管連接處的內(nèi)側(cè)由下到上的路徑，該路徑由6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，模擬的是仿真位移最大處的一條縱向路徑，計(jì)算結(jié)果顯示該路徑的應(yīng)力變化顯著，由141.102MPa增大到256.653MPa，在第5節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力達(dá)到最大值256.653MPa，故第5節(jié)點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)，在實(shí)際工況中應(yīng)有加強(qiáng)裝置保證其安全。

圖4 鍋爐孔口路徑提取3

圖5 鍋爐孔口路徑提取4

通過對圖2～5的分析，可以初步斷定，內(nèi)外焊接倒角鍋爐孔口的應(yīng)力主要集中在接管和筒體連接處的偏上部位。

不同路徑下的應(yīng)力對比結(jié)果見表1，可以看出，在接管和筒體連接處的孔口內(nèi)外側(cè)應(yīng)力值明顯高于其他位置，且該處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)做進(jìn)一步的分析研究。事實(shí)上鍋筒裂紋也是在該處首先出現(xiàn)的。

表1 不同路徑下的應(yīng)力分析結(jié)果 MPa

根據(jù)GB 4732-1995對應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，以有限元應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)或強(qiáng)度較核中通常采用第三強(qiáng)度理論。按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核的結(jié)果表明，在計(jì)算條件(計(jì)算壓力2.75MPa，溫度320℃)下，屈服應(yīng)力為345MPa，表明孔口是安全可靠的。第三強(qiáng)度理論雖然適用于塑性材料的校核計(jì)算，但它并沒有考慮應(yīng)力σ2對材料的破壞影響，因此其計(jì)算結(jié)果是偏安全的。

2.2帶有加強(qiáng)板的孔口連接處模擬分析

雖然三維靜態(tài)有限元分析和計(jì)算結(jié)果均證明，接管和筒體連接處的孔口是安全的，但是在有限元靜態(tài)模擬中并沒有考慮材料在長時(shí)間高溫、高壓、疲勞或蠕變下造成的損傷。同時(shí)，由于第三強(qiáng)度理論的計(jì)算結(jié)果是偏安全的，因此為了進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵部位的可靠性，筆者模擬了在孔口連接處添加加強(qiáng)板的模型，以減小應(yīng)力集中造成的影響，結(jié)果如圖6、7所示。

在Ansys的后處理中可以自由選擇強(qiáng)度理論進(jìn)行數(shù)值查看和提取，但由于第一、第二強(qiáng)度理論只能應(yīng)用于脆性材料的校核計(jì)算，因此筆者采用第三、第四強(qiáng)度理論對添加加強(qiáng)板前后的有限元結(jié)果進(jìn)行對比分析(表2)。結(jié)果表明，添加加強(qiáng)板后最大位移由1.099mm減小到0.711mm，減小了近35.30%；添加加強(qiáng)板前后的第三、第四強(qiáng)度理論下的計(jì)算應(yīng)力分別降低了6.25%、1.39%。

圖6 有加強(qiáng)板的孔口連接處網(wǎng)格劃分

圖7 有加強(qiáng)板的孔口連接處應(yīng)力云圖

表2 鍋爐孔口處的最大位移與危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力

由表1數(shù)據(jù)可知，危險(xiǎn)點(diǎn)位于路徑4上。通過路徑應(yīng)力數(shù)據(jù)的提取，可以獲得有無加強(qiáng)板條件下的關(guān)于第三強(qiáng)度理論條件中路徑4上的應(yīng)力變化曲線(圖8)。由圖8可以看出，在不同的提取路徑點(diǎn)數(shù)下，帶有加強(qiáng)板的第三強(qiáng)度理論下的應(yīng)力值小于無加強(qiáng)板時(shí)的情況，因此加強(qiáng)板對鍋爐孔口部位的應(yīng)力集中狀況有明顯的改善作用。

3 結(jié)論

3.1根據(jù)常規(guī)的應(yīng)力校核思路，利用Ansys有限元軟件進(jìn)行力熱耦合分析，獲得了鍋爐筒體與接管連接處的有限元位移場和應(yīng)力場，計(jì)算云圖表明，鍋爐孔口接管部位是鍋爐設(shè)備中的危險(xiǎn)部位。

圖8 第三強(qiáng)度理論下有無加強(qiáng)板時(shí)路徑4的應(yīng)力對比

通過路徑點(diǎn)的提取，獲得了計(jì)算最大位移值和危險(xiǎn)點(diǎn)位置的最大計(jì)算應(yīng)力值。

3.2通過模擬分析獲得了壓力2.75MPa、溫度320℃下鍋爐孔口內(nèi)外焊應(yīng)力的分布特性。最大位移值為1.099mm，最大應(yīng)力值為256.653MPa，應(yīng)力主要集中在接管和筒體連接處的偏上部位。

3.3以三維靜態(tài)的計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用第三強(qiáng)度理論對危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了校核，證明鍋爐孔口是安全的。但由于第三強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果是偏安全的，所以針對鍋爐孔口接管部位的應(yīng)力集中情況，模擬分析了帶有加強(qiáng)板的孔口部位的應(yīng)力和位移狀況，結(jié)果表明，有加強(qiáng)板時(shí)最大位移為0.711mm，比無加強(qiáng)板時(shí)減小了35.30%，且第三、第四強(qiáng)度理論下的應(yīng)力狀況均好于無加強(qiáng)板時(shí)的情況，因此加強(qiáng)板可以有效減弱鍋爐筒體和接管處的應(yīng)力集中。

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FiniteElementStressAnalysisandImprovementonDangerZoneofBoilerOrifice

REN Yi1, YANG Xiao-peng1, LI Wei-feng1, ZHU Kai2, YIN Qian2, CHEN Qing-yuan3

(1.InternationalDivision,ChinaPetroleumPipelineBureau,Langfang065000,China; 2.ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation,Langfang065000,China; 3.ExplorationDepartment,PetroChinaDagangOilfieldCompany,Tianjin300280,China)

Making use of 3D static finite element software to analyze the orifice strength and the stress at the joint between the boiler drum and the pipe was implemented; and both displacement field and stress field of boiler orifice under typical working conditions were analyzed and verified with the third strength theory. Simulating and analyzing this displacement and stress of the boiler orifice equipped with reinforcing plate show that, the maximal displacement at the orifice with reinforcing plate stays at 0.711mm, a reduction by 35.30% than that without the reinforcing plate; and the reinforcing plate can reduce the stress concentration effectively.

boiler orifice, stress analysis, reinforcing plate, the third strength theory, Ansys

*任 毅，男，1990年4月生，助理工程師。河北省廊坊市，065000。

TQ054

A

0254-6094(2016)06-0776-04

2016-01-28，

2016-02-17)