壓力容器中邊緣應力和局部高應力疊加影響研究

歐金藩

（湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410007）

筒體和封頭都是壓力容器中的重要組成部件，筒體和封頭連接時的邊界效應會產生分布復雜的邊緣應力[1]。另外，壓力容器中一般都存在殼體開孔結構，開孔接管與筒體相貫區會出現局部高應力。在設計中，時常會出現開孔離筒體和封頭連接處很近的情況，比如熱交換器中封頭管箱的開孔；筒體和封頭連接處邊緣應力和開孔接管與筒體相貫區局部高應力會相互影響。為了避免兩種應力的疊加影響，相關文獻中提出開孔邊緣和筒體與橢圓形封頭連接處的最小距離W宜取和3δn兩者中的較大值（其中：Dn為容器公稱直徑，δn為容器殼體名義厚度）[2]。本文將采用有限元應力分析法，對不同的模型（開孔率不同，開孔和筒體與封頭連接處距離不同）應力強度情況進行計算和對比，探究筒體與封頭連接處邊緣應力和接管與筒體相貫區局部高應力疊加影響情況。

1 設計參數及結構尺寸

設計參數及殼體尺寸：設計壓力1.1MPa，設計溫度50℃，內徑600mm，名義厚度6mm，材料為S30408。殼體厚度不考慮厚度附加量，文獻[2]中所提最小距離W為150 mm。

結構幾何簡圖如圖1。按開孔接管公稱直徑為DN100、DN150、DN200、DN250、DN300五種規格，每種開孔接管規格的結構又分W＇＜W和W＇＞W兩種情況（其中W＇如圖1所示），分別建立模型進行有限元應力分析。

圖1 結構簡圖

2 有限元分析計算

2.1 計算模型

由于模型結構和載荷均具有對稱性，取整體結構的1/8作為分析模型。

模型網格劃分如圖2所示。

圖2 模型網格劃分

2.2 載荷和邊界條件

在筒體端部橫截面施加軸向位移為零的約束，在對稱面施加對稱約束。容器內表面施加1.1 MPa 的壓力，接管端面施加內壓對應的等效平衡載荷p1，p1按下式計算。

其中，p、di、δnt分別為容器內壓、接管內徑及接管壁厚。

2.3 計算結果

不同開孔接管公稱直徑和不同W′值的計算模型（共10種）的有限元計算應力云圖如圖3~圖7。從圖中可以看出，同一開孔直徑的兩模型對比，W'值小的，應力強度更大；且隨著開孔直徑的增大，W'值不同時，應力強度相差越大。

圖3 開孔接管為DN100，兩種W′值的應力云圖

圖6 開孔接管為DN250，兩種W′值的應力云圖

圖7 開孔接管為DN300，兩種W′值的應力云圖

3 應力等效線性化及應力強度分析

應力分類參照JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器分析設計標準》。應力等效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。

計算結果中有些模型最大應力出現在焊縫與筒體外壁連接處，該處峰值應力占比較大，故本文對該處不作討論。對每個模型按圖8所示的四條路徑進行應力等效線性化處理。由于考察的是靜載荷作用下的應力強度，表1中列出了每個模型各路徑上一次局部薄膜應力強度SⅡ和一次局部薄膜應力加二次彎曲應力強度SⅣ。

表1 各路徑上的應力強度

圖8 應力等效線性化路徑

下面探討同一開孔直徑（開孔率）時W′＜W和W′＞W兩種模型各路徑上SⅡ的相差百分比δ，以及相差百分比δ的值隨著開孔率變化的規律。如圖9所示。從圖9可以看出，隨著開孔直徑的增大（開孔率增大）W′＜W的模型的應力強度SⅡ超出W′＞W的模型的應力強度SⅡ的百分比逐漸增大。

圖9 SⅡ相差百分比δ隨開孔率變化情況

從圖9還可以看出，路徑3-3處的SⅡ相差百分比δ的值一直處于比較高的水平，即筒體上開孔距離筒體與封頭連接處較近時對路徑3-3處的應力強度有明顯的影響，但是路徑3-3處應力強度水平較低，所以此處應力強度的增大并不會對壁厚的取值形成影響。路徑2-2處SⅡ相差百分比δ處于比較低的水平，即筒體與封頭連接處的邊緣應力對開孔殼體補強區域應力強度的影響較小。路徑1-1和路徑4-4處SⅡ相差百分比δ隨著開孔接管直徑由DN100逐次增大到DN300（開孔率ρ由0.16逐次增大到0.52）逐漸增大，即開孔率越大，筒體與封頭連接處的邊緣應力對接管與筒體相貫區應力強度的影響越大，以及接管與筒體相貫區局部高應力對封頭過渡區應力強度的影響越大。

4 結論

1）筒體與封頭連接處的邊緣應力和接管與筒體相貫區的局部高應力會疊加影響，開孔率越大，相互影響越大，當開孔率ρ達到0.52時，接管與筒體相貫區的一次局部薄膜應力SⅡ受筒體與封頭連接處邊緣應力的影響會增大10.27%，封頭過渡區的一次局部薄膜應力SⅡ受接管與筒體相貫區高應力的影響會增大18.8%。

2）在常規設計中，開孔邊緣和筒體與封頭連接處的距離盡量大于文獻0中提出的最小距離W。在無法保證該距離大于W時，開孔補強面積及封頭厚度應保有足夠的裕量。