淺談壓力容器非徑向接管的應力分析與補強

張懂懂 趙 婭

（1.山東海吉雅環(huán)保設備有限公司，棗莊 277500；2.山東能源重裝集團 魯南裝備制造有限公司，棗莊 277000）

由于實際工作的需要，非徑向的壓力容器開孔結(jié)構(gòu)對于容器的設計提出了更高的要求。在壓力容器的結(jié)構(gòu)設計過程中，設計者需要考慮多方面的因素，例如，開孔邊緣的應力集中、容器在工作應用中可能存在的載荷等，這些都需要通過對壓力容器模擬分析、研究進行解決。對壓力容器非徑向接管的應力作進一步的分析，并對開口補強進行相關(guān)研究，可以有效避免壓力容器工作中容易出現(xiàn)的問題。

1 壓力容器結(jié)構(gòu)設計方法

1.1 常規(guī)設計法

它指的是通過薄膜理論對壓力容器的部件進行設計，在計算中以既有的薄膜應力數(shù)據(jù)為基準，對壓力容器進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)設計與制定，最終形成一個科學的壓力表容器設計結(jié)構(gòu)。這種方法可以通過一些標準來快速設計出壓力容器結(jié)構(gòu)，但對于一些超出標準應用范圍的情況，往往束手無策。

1.2 分析設計法

該方法主要對壓力容器的應力進行分析，進而開展結(jié)構(gòu)設計。本文采用的有限元分析就是一種分析設計方法，通過模型構(gòu)建以及單元網(wǎng)絡劃分，模擬出實物受力情況，從而得到壓力容器內(nèi)的應力分布狀況。以此為基礎，分析影響壓力容器非徑向接管的應力因素，為實際設計提供依據(jù)。

2 壓力容器非徑向接管的應力分析過程

2.1 應力的相關(guān)問題分析

在壓力容器進行非徑向接管工作的過程中，需要明確應力的基本來源，按照相應的標準對應力進行分類。一般來說，所謂的應力主要是通過機械荷載以及熱荷載產(chǎn)生的，并且應力的出現(xiàn)范圍可以是局部的，也可以是整體的。對于壓力容器來說，應力總是均勻分布的[1]。

通常來說，應力主要有三種不同的類型，它們分別是一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力指的是對壓力容器所施加的機械載荷，主要包括正應力和剪應力[2]。一次應力的存在一定要滿足內(nèi)外力相平衡的條件。一次應力還可具體劃分為三種不同的應力類型，主要包括一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力和一次彎曲應力。一次總體薄膜應力遍及整個結(jié)構(gòu)當中，當塑性流動時，這樣可以避免出現(xiàn)應力重新分布的問題。一次局部薄膜應力主要存在于結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域當中，如果控制不當，則會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)遭到破壞的情況。同時，一次彎曲應力可以有效保持機械載荷平衡。

二次應力主要指的是幾何或者材料不連續(xù)導致壓力容器受力的情況。它最大的特性就是具備自限性。峰值應力指的是一次應力與二次應力相互疊加所產(chǎn)生的受力類型。峰值應力不會引起明顯的塑性變形，或者是對塑性進行破壞。當該應力進行反復加載時，人們需要注意它對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞力。

2.2 構(gòu)建有限元模型

如要對壓力容器非徑向接管的應力進行有效分析，工作伊始應該通過有限元方法來構(gòu)建有限元模型，在實際工作中通常會借助專業(yè)的建模軟件對壓力容器的三維立體模型進行構(gòu)建，具體來說主要分為以下幾個工作流程：首先，設計者要對容器的幾何體進行構(gòu)建，構(gòu)建幾何體時，需要保障非徑向接管與筒體相貫線保持連貫；其次，設計者要采用合適的材料，確定材料參數(shù)；再次，進行網(wǎng)格劃分，針對模型中的部件，劃分不同的單元網(wǎng)格；最后，根據(jù)實際情況，約束邊界條件，指定加載載荷。

在整個建模的過程中，單元格以及網(wǎng)格的劃分至關(guān)重要，單元格的層次安排以及網(wǎng)格的疏密程度都會影響建模工作的效率。由于接管與筒體相貫區(qū)附近應力較為集中，此區(qū)域的單元尺寸要盡量小一些，劃分網(wǎng)格密集一些。在遠離相貫區(qū)處，網(wǎng)格可以適當增大以減小計算量。

2.3 接管平齊式補強結(jié)構(gòu)應力分析

對接管平齊式補強結(jié)構(gòu)應力進行分析，在具體的操作中需要考慮到模型的構(gòu)建，還要注重非徑向度的影響，對于結(jié)構(gòu)應力的分析需要全面進行考量。實際工作中會遇到結(jié)構(gòu)尺寸不同的壓力容器，在進行非徑向接管組合的過程中，結(jié)構(gòu)所承受的應力也會有所不同，所以要構(gòu)建多個不同的應力分析模型，對于不同模型下的應力進行進一步的分析和研究。結(jié)構(gòu)應力的分析是一個十分復雜的過程，需要設計者不斷進行數(shù)據(jù)測量統(tǒng)計，并且要對結(jié)構(gòu)不斷進行調(diào)整，分析對比不同結(jié)構(gòu)下應力的區(qū)別，并提出針對性的補強措施。

2.4 接管內(nèi)伸式補強結(jié)構(gòu)應力分析

接管內(nèi)伸也會對結(jié)構(gòu)應力有重要的影響，進而會影響補強結(jié)構(gòu)[3]。可以將接管平齊式補強結(jié)構(gòu)看作是接管內(nèi)伸為0的特殊情況。構(gòu)建此類基本模型，并對接管內(nèi)伸長度進行調(diào)整，統(tǒng)計測量這類補強結(jié)構(gòu)應力數(shù)據(jù)。制定數(shù)據(jù)匯總表，然后對不同情況下的結(jié)構(gòu)應力進行具體分析，明確在不同接管內(nèi)伸長度下的補強結(jié)構(gòu)應力數(shù)據(jù)，進而分析確定補強結(jié)構(gòu)應力的實際情況。

2.5 補強圈結(jié)構(gòu)應力分析

補強圈在工程開展中運用得十分廣泛，并且對于低壓容器來說，十分需要補強圈來強化補強結(jié)構(gòu)。補強圈的結(jié)構(gòu)應力分析有利于人們了解容器承受的應力狀況，改善補強結(jié)構(gòu)。

不同厚度的補強圈所產(chǎn)生的應力也是有差別的，因此在進行部件模型的構(gòu)建過程中，需要對不同厚度補強圈可以承受的應力進行試驗分析。另外，選擇不同的補強圈結(jié)構(gòu)尺寸進行試驗，這樣有利于根據(jù)實際的應用情況來確定不同補強圈結(jié)構(gòu)的應用范圍。

3 壓力容器非徑向接管補強結(jié)構(gòu)應力分析

就補強結(jié)構(gòu)應力來說，主要呈現(xiàn)出以下幾個不同的特點。

（1）補強結(jié)構(gòu)應力會受到非徑向度的影響。通常來說，應力與非徑向度的關(guān)系是正相關(guān)的，如果非徑向度過大，則應力會隨之提升。

（2）應力的大小同接管和筒體剛度差有著密切的關(guān)系。接管與筒體的厚度比增大，能夠降低開孔邊緣的應力集中。但過大的接管壁厚對提高補強作用不明顯，反而增加了制造難度。在容器設計過程中，尤其是高壓容器設計，可以合理改變剛度差來減少應力。

（3）內(nèi)伸接管應力分布與平齊接管有所不同，內(nèi)伸接管肩部薄膜應力比平齊接管下降明顯，從而對開孔起到補強作用。但接管不同內(nèi)伸長度對于補強結(jié)構(gòu)的影響是不同的，隨著接管內(nèi)伸長度的增加，接管腹部筒體外表面彎曲應力增加明顯,而局部薄膜應力下降不明顯，不利于結(jié)構(gòu)補強。所以，在滿足補強要求后，不應過度增加內(nèi)伸長度。

（4）補強圈的存在有效彌補了壓力容器承受應力過大的問題，改善壓力容器應力狀況，提高安全性。不同厚度的補強圈，對應力集中現(xiàn)象的改善程度有所不同。厚度較薄時，補強圈的工作效果不是十分明顯，增大補強圈厚度，可以有效緩解應力集中的情況。但補強圈使筒體局部壁厚增大，局部彎曲應力加大，補強圈厚度過大后，焊接應力較大反而不利于結(jié)構(gòu)補強。一般情況下，補強圈的厚度宜為筒體厚度的0.8～1.2倍。

4 結(jié)語

壓力容器非徑向接管應力過大，會影響容器的安全性能和穩(wěn)定性。在實際設計過程中，設計者應綜合考慮多種因素，進行合理的結(jié)構(gòu)補強，既要保障壓力容器的有效運行，又要提高制造效率和經(jīng)濟效益。

[1]鄒軍.壓力容器非徑向接管的應力分析與補強研究[D].廣州：華南理工大學，2015：8.

[2]呂大立，姚安林，劉云，等.斜接管道結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下塑性極限載荷的有限元分析方法研究[J].壓力容器，2015，27（8）：6-12.

[3]沈?qū)?接管內(nèi)伸式補強結(jié)構(gòu)應力分析與探索[J].科技資訊，2008，（10）：34-35.