影響錐殼接管開孔結構的強度研究

張瑩娜,仇 放

(1.中國石油工程建設有限公司 北京設計分公司，北京 100085；2.中國石油工程建設有限公司 俄羅斯分公司，北京 100101)

錐殼接管開孔結構是壓力容器常見的結構之一。為保證其結構達到強度的要求，需按照規范進行設計，不同的標準規范和方法對于結構的強度安全裕量不同，常用的設計方法有GB150的等面積法、彈性應力分析法[1]和極限載荷法[2]。而錐殼接管開孔結構的結構參數對強度會產生顯著的影響，本文通過有限元模擬對錐殼半頂角α、開孔率d/D、壁厚比t/T和D/T研究各參數對結構強度造成的影響。

1 有限元模型

1.1 有限元模型尺寸

與錐殼徑向接管開孔結構承載能力有關的4個參數[3]，即錐殼半頂角α、開孔率d/D、壁厚比t/T和D/T。對模型尺寸取α=0°，15°，30°，45°；d/D=0.1，0.2，0.3，0.4；t/T=0.5，1.0，1.5，2.0；D/T=30，120，210，300；D=3000mm，4200mm。其中D為錐殼開孔中心處內徑，d為接管內徑，T為錐殼開孔處壁厚，t為接管壁厚。不同錐角模型結構如圖1、圖2所示。

圖1 α=0°和α=15°時模型結構

圖2 α=30°和α=45°時模型結構

1.2 有限元模型材料

錐形殼體材料為13MnNiMoR，接管材料為S22053，設計溫度280℃，設計溫度下材料參數如表1所示。根據焊縫強度與強度較低的母材相匹配原則，設定焊縫材料與接管材料相同。

表1 材料參數

1.3 有限元網絡劃分

考慮幾何形狀及載荷的對稱性，取實際結構的1/2進行分析，模型中殼體長度足夠，大于邊緣應力衰減長度。選擇20節點結構單元SOLID95劃分網格，采用映射劃分(sweep)方式，準確控制網格密度，避免遠離筒體接管相貫區網格過密浪費計算資源增加計算時間，細化殼體接管相貫區，同時避免關鍵部位網格過于稀疏而增大網格離散誤差[4]。不同錐角有限元模型網格劃分如圖3、圖4所示。

圖3 α=0°和α=15°時模型網格劃分

1.4 有限元模型邊界條件

殼體和接管內表面施加內壓，錐殼小端端面以及接管外端面施加軸向平衡載荷，結構對稱面端面施加對稱約束，錐殼大端底部端面施加軸向約束，并在錐殼大端底部某一點施加固定約束以防止結構發生整體位移。不同錐角模型的邊界條件如圖5、圖6所示。

圖5 α=0°和α=15°時模型邊界條件

圖6 α=30°和α=45°時模型邊界條件

2 有限元計算結果

2.1 計算結果

根據模型進行分析計算，提取出計算結果中模型應變-載荷值[5]，繪制出應變-載荷曲線，根據兩倍彈性斜率法確定不同模型的極限載荷。D=3000mm和D=4200mm時各個模型的極限載荷[6]見表2。

表2 模型極限載荷

2.2 結果分析

表2可看出，其他參數相同時，D=3000mm和D=4200mm時二組模型極限載荷大小變化不大，因此錐殼開孔中心處殼體內徑D對模型極限載荷的影響很小。對模型極限載荷影響起主要作用的是4個無量綱參數α、d/D、t/T和D/T。

利用Statistica軟件分析4個無量綱參數對極限載荷的影響，設置因變量為極限載荷Pcr，自變量為錐殼半頂角α、開孔率d/D、壁厚比t/T和D/T，方差分析表如圖7所示，從方差分析表可以看出，4個因素中壁厚比D/T的P值遠小于其他因素的P值，所以壁厚比D/T對極限載荷的影響最大。各個因素對極限載荷的影響大小次序為：壁厚比D/T>開孔率d/D>錐殼半頂角α>壁厚比t/T。

3 總結

本文對錐殼徑向接管開孔結構的極限載荷進行研究，根據32組模型的有限元計算結果，得出四個無量綱參數錐殼半頂角α、開孔率d/D、壁厚比t/T和D/T對錐殼徑向接管開孔結構極限承載壓力的影響的大小順序為：壁厚比D/T>開孔率d/D>錐殼半頂角α>壁厚比t/T，為錐殼徑向接管開孔結構安全評定及優化設計提供借鑒。

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