开孔接管补强圈补强效果和适用性研究

彭培英，郭彦书，刘庆刚

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

压力容器的可靠性对于化工类企业的安全具有十分重要的意义，一直以来都是这个领域的研究重点[1-2]，而开孔补强方式和效果对于压力容器运行可靠性影响很大[3-5]。

在压力容器的设计中，标准规定允许采用应力分析的方法进行设计，特别强调了可以采用可靠的数值方法来进行应力分析设计[6-7]。由于补强圈的结构较为复杂，难以采用经典的弹性力学理论进行分析，有限元方法的发展为解决这一问题提供了契机[8-9]，采用有限元方法进行补强圈补强效果和适用性的研究具备了成熟的条件。

本文采用基于有限元分析的应力分析设计和GB 150—2011[10]规定的“等面积法”分别对内径1 000 mm的圆筒形容器，开孔范围在100～500 mm范围内的补强圈补强进行了分析，研究结果对于补强圈的补强效果和应用条件具有一定的意义。

1 分析模型

本文分析了内径为1 000 mm的圆筒压力容器开孔问题，并采用补强圈进行补强。筒体和接管材料均选用Q345R，根据标准GB 150—2011，得到设计温度下Q345R的许用应力Sm，在厚度为6～16 mm时，许用应力Sm=189 MPa；厚度为16～36 mm时，Sm=185 MPa。根据标准规定，筒体厚度按公式(1)计算，计算结果见表1。

(1)

式中：δ为计算厚度，本文中筒体壁厚直接取计算厚度，mm；pc为计算压力，MPa；Di为圆筒内径，mm；φ为焊接接头系数，本文中焊接接头系数取1；Sm为材料许用应力，MPa。

表1 压力容器壁厚Tab.1 Thickness of the cylinders

设k表示开孔直径与筒体直径的比值，开孔直径记为d，则k=d/Di。根据标准规定，当Di≤1 000mm时，d≤520。为了分析不同开孔条件下，补强圈的补强效果，本文采用了k=0.1～0.5之间5组开孔尺寸进行分析，如表2所示。

表2 接管尺寸Tab.2 Geometry sizes of the nozzles

2 等面积法分析

采用GB 150—2011规定的等面积法进行开孔补强设计计算，根据计算结果按照标准JB/T 4736—2002补强圈[11]选择补强圈，其结果如表3所示。

表3中，B为补强有效宽度，A3为另需补强面积，δ′为补强圈计算厚度,D1为补强圈内径,D2为补强圈外径,δe为补强圈名义厚度。

3 有限元分析

采用有限元分析软件ANSYS按照表1—表3有关尺寸建立模型。模型中筒体的长度至少要大于开孔尺寸的5倍以上才能够保证开孔区域的应力分布状况不受边界处约束的影响。

分析中，在筒体一个端面施加固定约束，筒体和接管内表面施加内压，如图1所示。

求解计算得到应力分析结果如图2所示。图2中采用的应力为等效应力(Equivalent Stress)，即按照第4强度理论进行安全判定。由于制造压力容器的材料限定只能采用韧性材料，因此采用第4强度理论进行安全判定较为适合。

表3 补强圈尺寸Tab.3 Sizes of the reinforcement pads

图1 内加载荷示意图Fig.1 Schematic of the loadings in the nozzles

图2 等效应力云图Fig.2 Equivalent stresses of the nozzles

图3 应力评定路径示意图Fig.3 Schematic of the paths for stress assessment

根据标准规定和接管应力分析设计的经验，建立如图3两条路径进行应力评定。

图3中，Path1为压力容器开孔接管应力分析设计中通常采用的路径，而Path2是GB150—2011推荐采用的分析路径，本文分别按照两条路径进行分析，可以保证分析结果具有较高的可信性。

根据JB/T4732—1995[12]规定，接管部位的薄膜应力属于局部薄膜应力SII，薄膜应力+弯曲应力属于二次应力SIV，压力容器分析设计标准要求SII≤1.5Sm，SIV≤3Sm。

对表1—表3中的各组数据建立模型，施加载荷并进行分析，按照Path1和Path2进行应力评定，分析结果见表4所示。

表4 应力评定结果Tab.4 Results of the stress assessment

表4中，安全裕度a按照式(2)计算。

(2)

由表4应力评定结果可以看出，对于Path1来说，当压力较小时，补强圈补强具有很大的安全裕度，但当压力较大时，按照等面积法进行补强圈补强无法满足安全的要求；对于Path2来说，补强圈补强的结果都满足强度的要求，但在对于压力较高时，补强圈补强的裕度较小。

对比Path1和Path2分析的结果可以发现，Path1偏于保守，鉴于中国标准推荐采用Path2来进行应力评定，可以认为在本文分析的范围内，结构强度均满足安全要求。

4 结 论

本文对补强圈补强这一常见的补强形式，分别采用有限元法和等面积法进行了设计计算和分析，得到的主要结论如下。

1)Path1的计算结果偏于保守，Path2的结果更为接近实际情况。

2)根据对Path2的分析结果，当压力较低时，补强圈存在较大的安全裕度，说明基于等面积补强的补强圈补强方法在压力较小时存在一定的保守性；但当压力较大时，补强圈补强的计算结果存在10%～20%的安全裕度，对于补强设计来说较为理想。

3)根据Path2的分析结果，当压力在6 MPa时，补强圈补强的安全裕度为10%～20%，可以认为补强圈的适用条件为小于6 MPa。

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