多層包扎金屬壓力容器焊縫錯位角的有限元分析

王東帥，李福寶

（沈陽工業大學化工裝備學院，遼寧 遼陽 111003）

1 緒論

通過查閱文獻可知多層包扎式金屬壓力容器的筒體與單層式筒體相比制造過程簡單，同時也不需要大型、復雜的加工設備，適應于更多中小型企業發展；而且與單層式圓筒相比安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力，減少了脆性破壞的可能性[1]，同時包扎預應力可有效改善圓筒的應力分布；對介質適應性強，可根據介質的特性選擇合適的筒體材料[2，3]。本文通過利用Ansys 軟件進行仿真分析實驗的方法來對金屬壓力容器部件進行分析，得出壓力容器的校核計算，從而來獲取壓力容器多層包扎金屬筒體的最佳相鄰層板焊縫錯位角。

2 三維實體的建模以及有限元分析

多層包扎式金屬壓力容器的筒體由內層和層板構成，層板與層板間由縱焊縫連接而成，通過焊縫的連接會產生額外的預緊力，使得各個層板之間互相貼緊，產生一定的預緊力，從而使得筒體的連接更牢固，在受相同壓力的情況下，產生的形變更小，相對于單層化工反應容器更加安全可靠。

2.1 包扎式筒體的靜力學計算

本文的多層包扎式筒體外徑Ro=250mm，內徑為Ri=200mm，內層筒體的厚度Sn=15mm，層板的厚度為Sw=5mm，本論文壓力容器所選的材料為Q345R，這種材料的屈服點為340MPa，是中國壓力容器制造業使用最多金屬板，這種金屬板具有良好的力學性能和制造工藝性能。其中Q354R 的抗拉強度σb=490MPa，屈服強度σS=345MPa，E=2.05×105MPa，μ=0.3。

對于圓柱殼體，由筒體外徑和筒體內徑之比，可以得出筒體是薄壁筒體還是厚壁筒體，根據筒體的厚薄來選定合適的計算公式，由公式：

可以得出K=1.25 ＞1.2，即本文的筒體為厚壁筒體。

對于本文的多層包扎金屬壓力容器筒體而言，由于K＞1.2，故為了得出仿真實驗的準確性，可采用厚壁筒體的Mises 屈服條件來進行核算：

其中σθ—周向應力。

σS—屈服輕度。

r—任意半徑。

Ro—外徑。

當r=Ro時可計算最大屈服極限應力σmaxθ=375.28MPa，可理解為此時的筒體處于塑性狀態，從而得出最大的塑性極限應力，通過與仿真實驗的最大集中應力進行比較，從而得出仿真實驗的準確性，同時對于筒體多層包扎筒體最佳焊縫錯位角的選擇做好理論基礎。

2.2 多層包扎金屬壓力容器筒體三維實體的建模

為了探究筒體每層層板間縱焊縫相差角度對筒體裂紋沿厚度方向擴展程度的強弱，本文通過利用控制變量法，來研究一個數據的變化對結果所造成的影響，這樣的實驗更利于結果的準確性以及工程的可行性，通過利用CAXA 三維繪圖軟件制作出了壁厚相同的9 個筒體，以此來研究每層層板縱焊縫相差角度變量與筒體產生集中應力的相關關系。

通過對1 到9 層板縱焊縫角度差的觀察能夠發現，每一層是由3 塊層板均勻布置的，即每個層板所占的角度為120°，當兩個筒體各層間的焊縫差值和為時，即筒體布置層板焊縫時會出現相同的布置方式。

3 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元分析

3.1 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真模擬

本文通過對多層包扎金屬壓力容器的筒體進行了有限元分析，通過控制變量法要求施加的載荷、約束、結構和材料特性均保持一致，而只對相鄰筒體層板間的焊縫錯位角度進行了改變，這種分析的方法簡單，同時也利于分析數據的后期處理。

3.2 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真分析及結果后處理

本文是整體壓力容器的一部分，因此對筒體兩端采取了約束。由于筒體兩端承受約束，在受內壓時，筒體端口出現了應力集中的現象，但是由于端口應力集中的情況，使得周圍的應力出現了局部減小的狀況，又由于所選的材料具有一定的彈性，中間位置出現了彈性變形，故在加壓時整個筒體在放大的情況下，外形呈現出端口小，中間大的特性，對比幾個圖可以清楚的看到筒體相鄰層板焊縫錯位15°和105°時，出現應力集中的情況較為嚴重，由材料力學可知，結構在失效時，首先失效的是應力集中區，故本實驗只考慮最大應力與相鄰層板焊縫錯位角度的關系。為了得出最優的相鄰層板焊縫錯位角度，通過對這9 組實驗進行總結分析得出了相鄰層板焊縫錯位角度與應力關系圖，見圖1、圖2。

圖1 相鄰層板焊縫錯位角度與最大應力關系圖

從圖1 可以看出，該圖形關于60°對稱，在相鄰層板焊縫錯位角度為0°、30°、60°、90°、120°處最大應力取得最小值，最小值的范圍在308MPa 左右小于最大塑性極限應力，而取得最大值在15°和105°處，此處取值為336MPa 小于最大塑性極限應力，說明多層包扎筒體在受內壓的情況下，滿足筒體的應力要求，同時也優于單層筒體的結構設計。同時從圖1 中可以清楚的看出，圖形有五個最低點處，即在控制變量法的條件下，多層包扎筒體相鄰層板焊縫錯位角度在這五個值附近所產生的應力集中最小，從對稱的角度來分析，0°和120°、30°和90°這兩組的結構是一致的，因此在0°—90°滿足最優解的有三個：0°、30°、60°。這一點對于加工一層由三塊層板組成的多層包扎筒體而言具有重要的參考價值，即在加工制造的過程，應該注意相鄰層板焊縫的錯位角度，利用同樣的條件，產生最大的使用效率。

上述的實驗進行了結果后處理得到了相鄰層板焊縫錯位角度與位移關系圖，見圖2。

圖2 相鄰層板焊縫錯位角度與最大位移關系圖

圖2 中圖形成一個“W”型，關于60°對稱，在0°、60°和120°位移取得最大值，即在受相同內壓的情況下結構變形最為嚴重，而在相鄰層板焊縫錯位15°、30°、45°、70°、90°、105°處，位移變形大約在0.1983mm處，相對筒體直徑而言，筒體的整體位移變形屬于微變形，如果以筒體的最大位移來衡量相鄰層板焊縫錯位角，這種措施相對于用集中應力來衡量筒體相鄰層板焊縫錯位角較為不足。

4 結論

本文通過利用三維畫圖軟件繪制出了相鄰層板焊縫錯位角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°九組多層包扎金屬壓力容器筒體，其中每層筒體由3 塊層板焊接而成（最內層除外），利用控制變量法將約束、載荷、結構和材料特性保持一致，從而在ANSYS有限元仿真分析中得出了只有自變量相鄰層板焊縫錯位角對仿真實驗的影響。如果只考慮載荷作用下應力集中的問題，通過有限元仿真計算所選的相鄰層板焊縫錯位角應該在0°、30°、60°附近較為合適；如果將筒體應力集中問題和位移變化問題結合到一塊篩選的話，那么相鄰層板焊縫錯位角在30°附近對于多層包扎筒體加工而言將會是最優角度。