水下焊接高压快开舱整体疲劳分析设计

唐德渝，吕 涛，牛虎理，李春润，赵 杰

(1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.北京石油化工学院，北京 102617)

水下焊接高压快开舱整体疲劳分析设计

唐德渝1，吕 涛2，牛虎理1，李春润1，赵 杰2

(1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.北京石油化工学院，北京 102617)

水下干法焊接模拟试验需在高压试验舱中进行，运用有限元分析软件ANSYS，依据我国JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》，充分考虑快开结构的接触力学性能，对高压快开舱进行了整体建模和强度校核，并对危险部位进行了疲劳分析设计，分析设计结果达到在特殊的压力、温度等情况下进行工作的快开舱设计要求。

高压快开舱；分析设计；疲劳分析；ANSYS

0 前言

研究水下管道焊接修复过程中的焊接电弧性能行为，需要能够频繁开启且能够模拟水下1～400 m水深环境的高压快开试验密封舱。对于高压快开结构的设计，国内外没有现成的标准可循，中国GB-150附录G7中对快开卡箍紧固结构有计算说明，但只计算了危险截面的应力，未考虑接触问题[1]。目前，国内对于高压快开舱的设计大多采用单独分析快开结构、筒体、封头、接管及鞍座等零部件结构，这种将整体模型简化、进行局部结构分析的方法在一定程度上导致分析结果精度不够[2]。因此，本研究从接触力学的角度出发，进行了高压快开舱的整体建模设计，运用有限元分析软件ANSYS，对高压快开舱进行整体建模和强度校核，并对危险部位进行了疲劳分析设计。

1 高压快开舱基本参数

高压快开舱的基本结构如图1所示，该容器主体由筒体和两个标准椭圆封头组成，封头与筒体之间采用卡箍锁紧结构密封，该结构可以满足容器快速频繁开关的要求。该舱体的设计压力4.0 MPa，最高操作压力3.8 MPa，操作压力波动范围0～3.8 MPa，水压试验最高压力5.0 MPa，水压试验波动范围0～5.0 MPa，设计温度100℃，工作温度0℃～90℃，筒体内径1 400 mm，高压快开舱总长2 060 mm，筒体厚度28 mm，椭圆封头厚度30 mm，腐蚀裕量2.0 mm，快开舱全容积2.72 m3，按照设备设计寿命15年计算，预计操作压力下循环次数22 000次，预计水压试验压力下循环次数30次。筒体、封头、鞍座垫板材料为Q345R，所有接管、筒体法兰、封头法兰、转环卡箍采用16MnⅢ锻件材料，鞍座材料为Q235-A，材料在设计温度下的性能参数如表1所示。

图1 高压快开舱基本结构和尺寸

表1 材料在设计温度100℃时的基本参数

2 应力分析和安全性评定

2.1 建立几何模型

采用整体建模方式，运用有限元建立的几何模型如图2所示，对于有限元分析建模时需要进行必要的简化。各零部件结构均按图纸尺寸进行建模，忽略卡箍结构和厚壁管中的微小倒角；接管法兰系统只建接管，不建法兰，接管沿轴线所受拉力用截面等效拉力表示；接管长度取管子内端面到管子与法兰连接的环焊缝处；建模时筒体、封头、筒体法兰、封头法兰、所有接管从内侧减去2 mm的腐蚀裕量。

2.2 网格划分

静力分析和疲劳分析均采用Solid185(8节点)实体单元进行网格划分。网格划分时，结构采用六面体网格，并控制网格尺寸，保证单元具有较好的形态。在转环卡箍和筒体法兰相接触的接触面上、转环卡箍和封头法兰相接触的接触面上建立接触对，采用面-面接触单元TARGE170和CONTA174。整体模型的网格划分如图3所示。本设计通过对模型进行模态分析来检测有限元模型的连续性，保证了每个节点的连续和节点信息传递的完整性；此外，用网格密度加倍的方法检测网格密度对计算结果的影响[3]。本研究整体模型总节点数312 330，总单元数247 301。

图2 高压快开舱几何模型

图3 整体模型的网格划分

2.3 边界条件

对于高压快开舱整体模型的位移边界条件需处理为：模型固定鞍座底板下表面采用全约束，模型活动鞍座底板下表面仅允许沿轴向(X)的位移，其余方向全约束；在转环卡箍和筒体法兰、转环卡箍和封头法兰之间的接触面上建立接触对。而整体模型的载荷边界条件处理为：在筒体内表面、法兰内表面、封头内表面以及接管内表面施加内压力4.0 MPa；在接管截面加等效拉力，大小为p·Si／(So-Si)[p为内压4.0 MPa；Si为接管内圆面积；So为接管外圆面积(非厚壁管段)]；试验舱施加的位移边界条件和载荷边界条件如图4所示。

图4 位移与载荷边界条件

此外，考虑到试验舱所受的压力载荷实际上是周期变化的交变载荷。试验舱内压载荷变化范围0～3.8 MPa，变化次数22 000次。其压力载荷与时间的关系如图5所示。平常不工作时压力载荷为0，工作状况下，工作压力由0逐渐上升到3.8 MPa并保持此压力不变，经过一段时间的工作后卸压为0，完成一个压力变化周期，将该交变载荷施加在舱体内表面；水压试验载荷采用同样的方法处理。

图5 压力载荷与时间的关系示意

2.4 应力强度校核

对上述模型进行非线性接触分析，试验舱整体结构应力强度分布云图如图6所示。从图6可知，各处应力强度的分布值，图中最大应力值302 MPa，出现在安全排放口P的内壁处，如图7a所示，该处是模型的最危险点，整个模型的疲劳校核将以此为基础进行计算。

图6 高压快开舱整体结构应力强度分布云图

为了对整个模型进行强度校核，可以在模型各部件上的相对高应力点以及某些特定部位设置应力线性化路径，通过ANSYS软件提供的沿路径应力线性化的功能，将路径上的各类应力区分开，并通过对不同类别应力的评定以判断模型是否满足强度要求[4]。根据JB4732-95标准，对模型应力线性化后处理的结果进行强度评定，图7b中的PATH1和PATH2两条路径的结果如表2所示。通过对各类应力强度的评定得知，它们都满足各自许用极限的规定。

图7 安全排放口P

表2 接管P在设计压力下的应力强度评定结果(K＝1，单位：MPa)

2.5 疲劳分析

根据当前高压干式焊接实验舱整体模型上出现的最大应力强度302 MPa进行疲劳评定，并计算其累积使用系数。在设计压力4.0MPa下，实验舱整体模型最大应力值出现在安全排放口P的内壁处，其峰值应力强度SV＝302 MPa，故在操作工况(0～3.8 MPa)下的交变应力强度幅为：Salt＝0.5×302×3.8／4.0＝143.45 MPa，按JB4732中节C2.2计算，Salt＇＝Salt×E／Et＝143.45×210 000／203 000＝148.397 MPa，对应的许用循环次数N1＝70 086次，预计循环次数n1＝22000＜N1，故满足疲劳设计要求。同样方法计算在水压试验工况下也满足疲劳设计要求。

根据JB4732中“C2.4.6累积使用系数U不得大于1.0”的规定，经计算安全排放口P的累积使用系数U＝0.3151＜1.0，满足疲劳强度的要求。

3 结论

(1)对高压快开舱进行整体强度校核和疲劳分析，有效避免了以往模型简化后边界局部计算结果的失真。

(2)对于快开结构，运用数值分析方法能够充分考虑卡箍接触面的接触力学性能，从而提高了设计精度和计算速度。

(3)分析设计方法的评定结果表明，高压干式焊接实验舱在计算规定条件下满足静强度和疲劳强度设计要求。

[1]王志文.化工容器设计[M].北京：化学工业出版社，1998.

[2]刘爱萍.齿啮式快开装置参数化整体优化设计方法研究[D].浙江：浙江大学，2001.

[3]赵 杰，陈家庆，李 峰，等.高压焊接试验舱齿啮式卡箍锁紧结构有限元分析[J].石油矿场机械，2005，34(6)：7-10.

[4]汪黎明，赵 杰，陈家庆.高压焊接试验舱封头斜管有限元分析设计[J].北京石油化工学院学报，2004，12(3)：54-57.

Whole fatigue analysis design about high pressure underwater welding quick-open vessels

TANG De-yu1，LV Tao2，NIU Hu-li1，LI Chun-run1，ZHAO Jie2
(1.China Petroleum Group Engineering Technology Institute，Tianjin 300451，China；2.Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

Hyperbaric underwater welding need to be carried out in the high pressure vessel.The method of analysis design is the designing trend of chemical vessels，the whole finite element model of the high pressure quick-open vessels is built using the limit element analysis software ANSYS，strength and fatigue analysis of the dangerous parts is verified according to Analytical Design Standards for Steel Pressure Vessels(JB4732-95)，in the analysis process，mechanical properties of the contact is Considered.Result shows that it satisfies the design request of the high pressure quick-open vessels working the special condition,pressure,temperature and so on.

high pressure quick-open vessels；analytical design；fatigue analysis；ANSYS

TG457.5

A

1001-2303(2011)05-0044-04

2010-06-23；

2011-02-04

中国石油天然气集团公司重点科研项目(2008B-1305)

唐德渝(1961—)，男，重庆人，高级工程师，主要从事石油工程焊接技术的研究、开发和推广应用工作。