H2S压力容器结构不连续区的应力强度分析与评定

杨 雄，佟 健，帅玉妹

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

H2S压力容器结构不连续区的应力强度分析与评定

杨 雄，佟 健，帅玉妹

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

利用有限元分析软件Ansys对OWC-4060A水泥石腐蚀测试仪中H2S压力容器，在不同压力、不同温度条件下的结构不连续区进行应力强度分析与评定。结果表明，当压力容器只承受压力变化或只有温度变化引起的热应力时，最大应力强度主要集中在筒体与封头锥角过渡处;当压力和温度同时变化时，最大应力强度主要集中在接管与封头焊接圆角处。另外，相对于温度变化，压力变化对H2S压力容器的正常工作产生的影响更大。

H2S压力容器；结构不连续区；Ansys分析；应力强度

OWC-4060A水泥石腐蚀测试仪通过模拟井下温度和压力等作业环境，用H2S气体对固井水泥石进行耐腐蚀性试验，可以对各种水泥石的抗H2S腐蚀能力进行评价。利用该仪器进行试验时，需要进行加压、加热操作，而仪器内部储存有高浓度的H2S气体，若这些气体发生泄漏会污染环境并可能导致操作人员中毒。过去，设计压力容器一般采用基于弹性失效准则的规则设计(DBF)方法[1],该方法简单易行,但不能分析压力容器圆角过渡等部位的应力集中的情况。随着应力分析技术的发展和对材料破坏行为研究的深入，以弹塑性失效为基础的分析设计(DBA)[2]为压力容器的合理设计提供了一种新的方法，其中，国内外研究者已经运用Ansys对压力容器结构不连续区的应力状况进行了研究[3-4]。下面，笔者应用大型有限元分析软件Ansys对H2S压力容器结构不连续区的应力强度进行分析与评定，为该压力容器的设计提供指导。

图1 H2S压力容器结构示意图

1 H2S压力容器几何模型

H2S压力容器结构如图1所示。开口半径R1=400mm，接管壁厚T1=60mm，接管高度H1=400mm，封头内半径R2=1600mm，封头壁厚T2=80mm，锥形段斜边倾角α=75°，锥形段长度H2=250mm，筒体内半径R3=1555mm，筒体厚度T3=160mm，锥形段与筒体锻造高度H3=1500mm，接管与封头焊接圆角R4=120°，接管内壁倒圆角R5=30°，材料为哈氏合金C-276，设计压力P=20MPa，设计温度100℃，设计许用应力Sm=156.67MPa,弹性模量E=2.05×105MPa,泊松比μ=0.3,压力容器接管与封头采用焊接结构。

2 有限元模型的建立及分析

图2 H2S压力容器有限元模型压力评定点和应力路径图

首先引入2个假设：压力容器材料连续、均匀且各向同性；没有焊接缺陷。由于该压力容器结构和载荷均具有轴对称性，为了方便计算，使结果容易收敛，分析时可建立四分之一模型，然后对该压力容器分别进行结构、稳态热及热-结构耦合应力分析。进行结构、稳态热应力分析时分别选取PLANE82单元(2维8节点结构实体单元)和PLANE77单元(2维8节点热实体单元)，进行热-结构耦合应力分析时采用间接法[5]，先进行稳态热应力分析，再进行结构应力分析。采用自适应法划分网格，并对压力容器焊接处、锥角过渡处进行局部网格细化，使求解更加准确。图2所示为H2S压力容器有限元模型压力评定点和路径图。

2.1 边界约束条件及载荷

进行结构应力分析时，分别对H2S压力容器的接管上端端头和筒体底端施加对称位移约束，筒体和接管内表面施加设计压力P。进行稳态热应力分析时，考虑到热传递的3种形式，分析时以对流传热为主，其载荷主要是H2S压力容器接管、封头和圆筒内外两侧的对流传热，并将其作为面载荷分别施加到圆筒接管、封头和圆筒内外两侧，从而确定H2S压力容器单元节点的温度，然后再将其作为体载荷施加到每个节点，从而得出其热应力。在进行热-结构耦合应力分析时，由于稳态热应力分析和结构应力分析的单元类型不一样，在完成稳态热应力分析并得到单元节点温度分布后，必须对单元类型进行转换，读取已经生成的单元节点温度并作为体载荷施加到对应的节点上，然后再施加结构应力分析边界约束条件及载荷。

2.2 计算结果与分析

根据第三强度理论，采用点处理法和线处理方法，分别在不同压力(10、15、20、25、30MPa)和不同温度(50、80、100、120、150℃)条件下，对H2S压力容器的结构不连续区的应力强度进行分析与评定。采用点处理法时，分别在H2S压力容器封头与接管焊接圆角过渡处和筒体与封头锥角过渡处的内侧(inside)和外侧(outside)取4个点(分别为A_A inside点、A_A outside点、B_B inside点、B_B outside点)，并对这4个点的应力强度进行分析与评定(见图2)。采用线处理法时，分别取压力容器封头与接管焊接的圆角过渡处的内侧点和外侧点连接成A_A路径，筒体与封头锥角过渡处的内侧点和外侧点连接成B_B路径，并对2条路径上的应力强度进行分析与评定。

1)4个点与2条路径上压力与应力强度关系 4个点上压力与应力强度关系如图3所示。由图3可知，随着压力的增大，4个点上的应力强度也随着增大，同时在压力相同的情况下，A_A inside点和B_B inside点应力强度均在其对应A_A路径和B_B路径上为最大。其中，当压力达到25MPa时，A_A inside点和B_B inside点应力强度均超过1.5Sm[6],说明H2S压力容器上的4个点在该压力及该压力以上的应力强度都超过许用应力范围，但这只能反映4个点上的应力强度，并不能说明其所在路径上的应力强度是否超出了许用应力范围。为了进一步了解其所在路径上应力强度的变化情况，分析了2条路径上压力与一次薄膜应力强度关系(见图4)。由图4可知，随着压力的增大，2条路径上的应力强度也随着增大，并且在压力相同的情况下， A_A路径上的应力强度最大，其中当压力达到30MPa时，只有A_A路径上的一次薄膜应力强度超过1.5Sm。上述分析说明，H2S压力容器最大应力强度产生在筒体与封头锥角过渡处的内侧，应力强度最大截面位于封头与接管焊接圆角过渡处。

2)4个点与2条路径上温度与应力强度关系 4个点上温度与应力强度关系如图5所示。由图5可知，随着温度的升高，4个点上的应力强度也随着增大，而在温度相同的情况下，B_B inside点、B_B outside点均比A_A inside点、A_A outside点的应力强度大，并且在150℃时，B_B inside点应力强度超过了1.5Sm，说明该点的应力强度超过了许用应力范围。为了进一步了解其所在路径上应力强度的变化情况，分析了2条路径上温度与一次薄膜应力强度关系(见图6)，从图6可以看出，由温度变化引起的一次薄膜应力在A_A路径和B_B路径上较小，均未超过1.5Sm。上述分析说明，不同压力条件下产生的一次薄膜应力要远大于不同温度条件下产生的一次薄膜应力。由此可知，温度变化对H2S压力容器应力强度的改变影响较小。

图3 4个点上压力与应力强度关系图 图4 2条路径上压力与一次薄膜应力强度关系图

3)4个点与2条路径上压力和温度同时变化条件下的应力强度 A_A inside点在压力和温度同时变化条件下应力强度如图7所示。由图7可知，当温度一定时，A_A inside点应力强度随压力的增大而增大；当压力一定时，A_A inside点应力强度随温度的升高而减小，并且在50℃和25MPa、120℃和30MPa、80℃和30MPa、100℃和30MPa的情况下应力强度均超过了1.5Sm。A_A outside点在压力和温度同时变化条件下应力强度如图8所示。由图8可知，A_A outside点应力强度随压力增大、温度升高而增加，并且在50℃和30MPa、80℃和25MPa、100℃和25MPa、120℃和20MPa、150℃和15MPa的情况下应力强度均超过了1.5Sm。B_B inside点在压力和温度同时变化条件下应力强度图如图9所示。由图9可知，只有在30MPa和50℃时，B_B inside点应力强度超过了1.5Sm。B_B outside点在压力和温度同时变化条件下应力强度如图10所示。由图10可知，随着压力增加和温度升高，B_B outside点应力强度也随着增加，只有在30MPa和100℃、25MPa和120℃、15MPa和150℃时应力强度超过了1.5Sm。

图7 A_A inside点在压力和温度同时变化 图8 A_A outside点在压力和温度同时变化条件下应力强度关系图 条件下应力强度关系图

A_A路径在压力和温度同时变化条件下的一次薄膜应力强度如图11所示。由图11可知，随压力的增大(温度相同条件下)，A_A路径上的一次薄膜应力强度也增大，当压力达到30MPa时(任意温度条件下)，一次薄膜应力强度均超过了1.5Sm，随着温度升高(压力相同条件下)，A_A路径上的一次薄膜应力强度反而降低。B_B路径在压力和温度同时变化条件下的应力强度如图12所示。由图12可知，随着压力增大和温度升高， B_B路径中一次薄膜应力强度也随着增大，但均未超过1.5Sm。上述分析说明，最大应力强度发生在接管与封头焊接圆角处。

图9 B_B inside点在压力和温度同时变化 图10 B_B outside点在压力和温度同时变化条件下应力强度关系图 条件下应力强度关系图

图11 A_A路径在压力和温度同时变化条件下的 图12 B_B路径在压力和温度同时变化条件下一次薄膜应力强度关系图 的一次薄膜应力强度关系图

3 结 论

1)不同压力条件下产生的一次薄膜应力要远大于不同温度条件下所引起的一次薄膜应力，这说明压力变化对H2S压力容器的正常工作起着重要影响。

2)当压力容器只承受压力变化或只有温度变化所引起的热应力时，最大应力强度主要集中在筒体与封头锥角过渡处；当压力和温度同时变化时，最大应力强度产生在接管与封头焊接圆角处。

[1]GB150-1998,钢制压力容器[S].

[2]JB4732-1995,钢制压力容器——分析设计标准[S].

[3]李蓉.椭圆封头与筒体连接处不连续应力分析[J].化工设计通讯，2006,32(2):28-31.

[4]Schindler S, Zem an J L. Stress concentration factors of nozzle-sphere connections[J].Interna tional Journal of Pressure Vessels and Piping, 2003, 80: 87-95.

[5]张国智,胡仁喜.ANSYS 10.0热力学有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社,2007.

[6]吴粤燊.压力容器安全技术手册[M].北京：机械工业出版社,1999.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.040

TQ053.2

A

1673-1409(2012)10-N127-04