1、 压力容器在海上油田和陆上 终端应用广泛，是生产过程中必不 可少的设备。如海上平台在主工艺 系统、燃料气系统、柴油系统、化 学药剂系统、闭式排放系统、开式 排放系统、工厂风及仪表风系统、 含油污水处理系统、消防水系统等 都广泛应用了压力容器。在压力 容器设计中，由于操作或结构的要 求，容器上的开孔是不可避免的。 1 压力容器管口应力分析的 必要性 压力容器开孑L接管区域的应 力状况非常复杂，这是因为开孔破 坏了壳体材料的连续性，削弱了原 有的承载面积。另外，在开孑L边缘 附近必定造成应力集中，接管的存 在使开孑L接管区域成为总体结构不 连续区域，壳体与接管在内压的作 用下自由变形不一致，在变形
2、协调 过程中将产生边缘应力。 同时，接管与壳体是通过焊 缝连接在一起的，焊缝的结构尺 寸如焊缝高度、过渡圆角等会形 成局部结构不连续，形成局部不 连续应力。在筒体上造成局部高 应力，从而严重影响筒体的承载 能力，该部位很有可能成为设备 的破坏源。因此，对开孔接管部位 作详细的应力分析是确保压力容 器安全运行必不可少的内容。 压力容器管口应力分析 戚晓宁石磊曹永 (海洋石油工程股份有限公司天津300451) 【摘 要】本文以某压力容器为例，分别运用常规设计方法和有限元分析 设计方法对开孔接管区上外栽荷对容器管口应力分布的影响进行了分析。 发现管线外载荷对管口应力影响明显，不可忽视；满足常规设计的
3、管口 在一般工作载荷下，由于安全系数足够大，强度仍能满足要求；对环境 条件恶劣、波动较大的工作载荷下的管口，有限元分析设计是必要的。 【关键词】压力容器管线载荷管口应力有限元分析 由于几何形状及尺寸的突变， 受内压壳体与接管连接处附近的 局部范围内会产生较高的不连续 应力。对这类应力的求解相当复 杂。工程上常采用应力集中系数 法、经验公式、数值解法和试验测 试等方法计算局部应力1 。 21应力集中系数法 在计算壳体与接管连接处的 最大应力时，常采用应力集中系 数法。受内压壳体与接管连接处 的最大弹性应力 与该壳体不 开孑L时的环向薄膜应力o 之比称 为应力集中系数K，即： K，= (1) (7
4、0 式中： 。 某位置的最大正 2 压力容器管口局部应力计 应力，P ； 算方法 。一简体环向薄膜应力， =PD2 6，Pa，其中P为设计压 力，Pa，D为简体直径，ITI，6为筒 体壁厚，Ill。 22经验公式 大量的试验研究、数值计算和 理论分析表明，受内 壳体与接管 连接处的应力集中系数K一般可 表示为三个无囚次参量的函数。这 =三个无因次参数是：接管中面直径 d与壳体中面直径D之比dD，接管 厚度t与壳体厚度T之比tT和壳体 中面直径D与其厚度T之比DI。以 下为经验公式： Rodabaugh公式： =28 c 8 c (2) 该式考虑了接管与圆柱壳过 渡处外圆角半径r的影响，已被 A
5、SME规范第1II篇NB一36838所采 用，适用范围为DTA。即开孑L处的最 大应力值在简体板材0345R的许 用应力值的范围之内，符合要求。 4压力容器管口应力有限元 计算 41 ANSYS简介【41 ANSYS软件是机械制造、能 源、汽车交通、国防军工、电子、 土木工程等一般工业和科学结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大 型通用有限元分析软件，可广泛 应用于核工业、铁道、石油化工、 航空航天的研究。在压力容器行 业，ANSYS占据了国内95以上的 市场份额，成为压力容器分析设 计的事实上的标准。尤其是在1995 年，全国锅炉压力容器标准化技 术委员会发布了JB47321995(钢制 压
6、力容器分析设计标准【51后， ANSYS有限元的应用更是上了一 个台阶。 42有限元模型的建立 (1)模型的建立与网格划分 根据圆筒径向开孔结构形状、 受载条件和约束状况的对称性， 沿圆筒体的纵向剖面建立12三维 实体有限元模型，根据圣维南原 理，简体的长度取为1000mm，接管 位于简体的中间部位，外伸长度 为130ram，采用通常使用的有限元 单元为4节点的壳体单元 (SHELL63)进行建模，网格划分时 我们给予每个单元格的长度为 002m，并且赋予壳单元的厚度 为8ram，模型结构和网格划分如图 2所示。 (2)定义材料属性 将表1所列的材料机械性能数 据赋予软件的材料属性。 43载荷
7、和边界条件施加 如图3所示：管线两边与设备 管口相连，中间具有若干个管线 支架，故在这些部位管道的位移 受到一定的约束，不能自由变形。 因此，求解外载荷及热膨胀在管 道内的所产生的应力问题是一个 超静定问题，需要利用变形条件 或约束条件先求出这些部位的约 束反力，从而求出管道各截面的 内力及应力。 (1)管线外载荷计算 一般来说，管道中心线为一 空间曲线，管道各截面的内力素 为三个相互垂直的内力P、P、P 及力矩w、w、w，求解过程是 很复杂的。因此我们采用 CAESARII50对管线的外部应力 进行计算，计算结果如图3所示。 从而得出此管口处应力值，如表 2所示。 (2)载荷和边界条件施加
8、首先向简体和接管的内表面 施加面载荷为045MPa的压力。在 接管与简体的交界处，把表2中的 力和力矩施加在该处的节点上。 然后在筒体模型对称面上设定位 移约束，以便于更好的体现出管 口区的应力分布情况。 44计算结果分析 分析完成后，采用ANSYS的后 处理程序观察分析得到的结果， 这里我们只关心模型上的应力大 小。图4和图5为压力容器开口处 的等效VOII mises应力分布图。图4 为筒体外部应力分布图，图5为筒 体内部应力分布图。由图我们可 以很容易的看到最大应力值为 262MPa，是没有外载荷情况下最大 应力值的两倍多，但仍小于材料 的需用应力345MPa，分布在简体的 内侧，因管线
9、外载荷的作用，应力 呈不对称的分布。 Fx Fy Fz Mx M 895 242l 一573 835 2961 655 5 结论 (1)最大应力值分布在简体的 内侧，并且因管线外载荷的作用 应力成不对称分布。 (2)中低压容器的安全系数一 般取的比较大，虽然分析结果表 明开口区域的强度足够，满足安 全要求。但仍不能忽视应力集中 在容器长期使用中对壳体的影响。 (3)随着化工设备向大型化、 复杂化、高参数化发展，受压零部 件的设计越来越多地利用应力分 析来完成。有效利用ANSYS等工具 进行有限元分析设计，可以为化 工机械设计提供强有利的技术保 证。豳 【1】周守为等海洋石油工程机械与设备设计M】北京-石油工业出版社，2007 2】郑津津等过程设备设计【M】北京-化学工业出版社，2004 【3】GB1501998，钢制压力容器【S】 4】余伟炜等ANSYS在机械与化工设备中的应ffJM北京：中国水利水电出版 社，2007 5JB47321995，钢制压力容器分析设计标准S】全国压力容器标准化技术委 员会。1995 。 石油和化工 殳备l 5
