夾套容器封口錐強度計算與分析

歐金藩

（湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410007）

夾套容器是石油、化工、醫藥等行業中非常常見和典型的設備。夾套的主要結構型式有整體夾套、半圓管夾套、型鋼夾套以及蜂窩夾套等[1]。整體夾套又分為U 型夾套和圓筒型夾套，U 型夾套以其結構簡單、制造方便的優點，在工程實際應用中得到了廣泛的應用。我國現行有關標準中對夾套封口錐只有結構設計的相關規定，沒有專門針對夾套封口錐的強度計算說明，且由于封口錐過渡段轉角半徑尺寸無法滿足GB/T 150.3—2011中折邊錐形封頭大端過渡段轉角半徑的要求（r≥10%DiL且≥3δr），也就不能按GB/T 150.3—2011中錐殼強度計算方法進行計算。在設計工作中，工程設計人員常常忽略了夾套封口錐的強度計算，直接取與夾套筒體相同的壁厚，但夾套封口錐和夾套筒體是兩種結構不同的元件，在相同載荷下，兩種結構的應力值是不一樣的，因此封口錐直接取夾套筒體的壁厚是不合理的。本文對兩種夾套結構（U型夾套及加強圈把夾套分成上下兩部分的夾套）的封口錐采用有限元應力分析法進行計算和分析。

1 夾套容器設計參數及結構尺寸

夾套容器的設計參數見表1，結構及尺寸如圖1所示。本文分析兩種夾套結構：第一種，U 型夾套，此為常見結構；第二種，為了滿足工藝要求，在整體夾套中間加個隔離圈，把夾套分為上下兩部分，此隔離圈可以作為內筒體受外壓載荷時的加強圈。

圖1 夾套結構及尺寸

表1 夾套容器設計參數

2 有限元分析計算

2.1 計算模型

由于夾套容器為軸對稱結構，故把三維實體轉化為二維軸對稱模型，考慮結構不連續對應力分布的影響范圍，模型中所取內筒體長度和夾套筒體長度均大于邊緣應力衰減長度內筒體、夾套筒體壁厚分別取有效厚度21.7mm、8.7mm，加強圈材料為S31 608，厚度為20mm。模型網格劃分采用四邊形，如圖2所示。

圖2 模型網格劃分

2.2 載荷和位移邊界條件

計算模型載荷只考慮設計壓力，內筒體上端橫截面施加軸向位移為零的約束，夾套筒體下端橫截面施加夾套內壓對應的等效平衡載荷p1，p1按下式計算確定：

其中pj,Dj,δj分別為夾套壓力、夾套筒體內徑以及夾套筒體有效壁厚。

2.3 計算結果

第一種結構的計算結果如圖3所示，最大應力值為595.62MPa，位于封口錐過渡段內表面；遠離結構不連續處的夾套筒體總體薄膜應力為95MPa。

圖3 第一種結構應力強度云圖

第二種結構的計算結果如圖4所示，最大應力值為270.48MPa，位于下部分夾套筒體與加強圈連接處內表面；遠離結構不連續處的夾套筒體總體薄膜應力為95MPa。

圖4 第二種結構應力強度云圖

3 應力線性化及強度評定[2]

應力分類及強度評定參照JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》。應力線性化的路徑選取原則為：對分析部位沿厚度最小方向取路徑。

3.1 應力線性化

第一種結構的高應力區為封口錐過渡段區以及封口錐與內筒體連接區，線性化路徑如圖5所示。

圖5 第一種結構高應力區域線性化路徑

第二種結構的高應力區為封口錐過渡段區、封口錐與內筒體連接區、加強圈與夾套下部分筒體連接區以及加強圈與內筒體連接區，線性化路徑如圖6所示。

圖6 第二種結構高應力區域線性化路徑

3.2 強度評定

兩種結構各路徑上的應力分類和強度評定分別見表2和表3。第一種結構在夾套封口錐與內筒體連接處的SⅣ（一次局部薄膜應力加二次彎曲應力強度，單位MPa）大于3Sm（許用值），已經不滿足強度要求；封口錐過渡段的SⅣ也已經接近3Sm。而在此壓力載荷條件下的夾套筒體總體薄膜應力為95MPa，還遠小于其許用值（Sm=186.6MPa）。所以封口錐的厚度直徑按夾套筒體厚度取是不合理的。第二種結構由于有加強圈把夾套分成上下兩部分，上部分夾套筒體的軸向應力減小，所以封口錐的各類應力都比第一種結構中封口錐的各類應力有明顯的減小。

表2 第一種結構各路徑上的強度評定

表3 第二種結構各路徑上的強度評定

其中：Sm-材料在設計溫度下的許用應力，單位MPa；

SⅡ-一次局部薄膜應力強度，單位MPa；

SⅣ-一次局部薄膜應力加二次彎曲應力強度，單位MPa。

4 結論

本文依托實際設計項目中的某一反應釜（其夾套結構為第二種，即有加強圈），采用有限元應力分析法，對兩種不同結構夾套的封口錐的應力強度進行了計算和分析，得出結論如下：

1）由第一種夾套結構（U 型夾套）計算結果可知，當夾套筒體總體薄膜應力遠小于材質在設計溫度下的許用應力時，封口錐處SⅣ（一次局部薄膜應力加二次彎曲應力強度）大于3Sm（許用值），已經不滿足強度要求；所以封口錐的計算厚度大于夾套筒體的計算厚度，在設計中封口錐的厚度不能直接取夾套筒體厚度，需要另行做強度計算。

2）比較兩種夾套結構的計算結果可知，加強圈明顯降低了封口錐的應力強度，第二種結構封口錐區域各類應力和加強圈區域的各類應力小于對應的許用值，滿足應力強度要求；因此，對于U 型夾套，在沒有工藝需要將夾套分為上下兩部分的條件下，在強度設計時同樣可以考慮增加加強圈，然后在加強圈上開適量的孔保持夾套上下兩部分的連通。