受内压无折边偏心锥壳的应力测试和分析*

2014-05-29李立新蔡晋辉蔡刚毅金伟娅

化工机械 2014年2期

李立新蔡晋辉蔡刚毅金伟娅

(1.中国电子科技集团公司第五十二研究所；2.中国计量学院；3.浙江省特种设备检验研究院；4.浙江工业大学化工机械设计研究所)

偏心锥壳普遍应用于石油化工领域，釜式重沸器中连接大、小端圆筒的结构即为典型的偏心锥壳结构。由于偏心锥壳结构的非轴对称性，在同一轴截面上沿圆周方向和沿着轴线方向上偏心锥壳的应力分布与正锥壳的应力分布都不相同。对于锥角小于30°的偏心锥壳，GB 150和ASME Ⅷ-2中偏保守地规定偏心锥壳的设计参照正锥壳进行[1，2]。国内不少学者对偏心锥壳进行了研究，如王慎行推导了几种偏心锥壳在内压作用下的薄膜应力，并且给出了相应的公式[3]；李红霞通过有限元方法研究了固定管板釜式重沸器中偏心锥壳转角过渡区的应力[4]；周士强通过应力分析法建立微分方程，求解并推导出了偏心锥壳壁厚设计的计算公式[5]。为了更好地了解偏心锥壳的应力分布状况，笔者对承受内压载荷的偏心锥壳进行了实验研究，利用有限无分析，采用整体建模的方法对其进行有限元分析。三维有限元数值分析的计算可以准确地描述偏心锥壳的应力分布，使应力计算更为精确[6]。

1 实验容器结构参数

现以某带偏心锥壳的小型压力容器为实验容器。大、小端筒体内径分别为500、300mm，筒体长分别为250、500mm，偏心锥角45°，设计壁厚8mm，设计压力1.6MPa，容器材料为Q345R，容器设计为立式结构。偏心锥壳按照锥角为45°的正锥壳设计，具体尺寸设计如图1所示[4]。

图1 容器模型设计图

2 电阻应变测试

对实验容器进行注水试验，在静态水压的载荷条件下，采用电测法测试其表面的应力分布。

2.1测点布置

整个容器粘贴44片直角应变花，分别布置在以下6个位置：偏心锥壳最大和最小倾斜角经线及其连接的大、小筒体外壁，分别定义为L1和L2；容器侧面及其对称面外壁，分别定义为L3和L4；大、小端筒体外壁与偏心锥壳连接点沿周向分布，分别定义为L5和L6。具体布置情况如图2所示，温度补偿采用在材料与容器相同的试块上。

a.L1、L2

b.L3、L4

c.L5、L6

2.2实验及数据分析

用高压胶管把容器与试压泵相连，运行DH3818静态应变测试系统软件，输入参数调整平衡；然后按0.6、1.0、1.2、1.6MPa分别升压，并分别测数据，记下应变读数，根据应变数据计算出各点在每个压力级下的环向应力和径向应力值。笔者主要对环向应力值进行分析，表1为L1的应变片在4个压力级下测试所得的环向应力值。

表1 容器承受内压时应变片的环向应力值 MPa

(续表1)

从表1中可以观察到：在实验中容器处于弹性状态；表中各应变片所测得的环向应力值随着承受内压的增大而增大，且接近于线性关系(图3)；在大端筒体与偏心锥壳的连接区域，即应变片7、8所在位置，环向应力表现为压应力。

图3 实测环向应力值与内压值的关系

3 有限元计算与应力测试的对比分析

有限元建模、网格划分和边界条件施加参照文献[7]。按照文献[7]的方法进行建模计算，采用全模型建模，以体单元Solid95进行网格划分，沿壁厚方向的网格为3层，共产生135 662个节点，27 000个单元。壳体内壁施加均匀内压p为1.6MPa，大、小端筒体端面施加环向约束和轴向约束，并对大、小端筒体端面的所有节点施加径向耦合[8，9]。

得到计算结果，在有限元计算模型中取与实验测试点相对应的节点的环向应力值，并对它们进行对比分析，如图4所示。

a.位置L1

b.位置L2

c.位置L3和L4

d.位置L5

e.位置L6

从图4a可以看出，有限元计算所得到的值与实验测试所得到的值变化趋势基本一致。在偏心锥壳具有最大倾斜角的经线与大端筒体的连接区，有限元计算值和实验测试值均表现为负值，即在这个区域，环向应力表现为压应力。图中的距离是按照容器最上面粘贴的应变片为起点而计算的距离。

从图4b中可以看出，在L2位置，环向应力处于平稳下降的状态，相比而言，实验测试值总体上较有限元计算值变化频繁。

从图4c中可以看出，L3和L4位置处的应变片的测试值基本相同，说明了L3和L4相对于平面plane1(图2)对称，且在大、小端筒体与偏心锥壳连接的局部区域应力的变化情况与L1比较相似。

L5和L6位置处的实验测试值和有限元计算值对比如图4d、e所示，图中的角度分别是以偏心锥壳与大、小端筒体的连接处和偏心锥壳具有最大倾斜角经线的相交点为起点(即大端筒体以应变片3为起点，小端筒体以应变片8为起点)，按逆时针方向计算角度。从图4d中可以看出，L5的环向应力经历了一个先上升后下降的过程，在偏心锥壳具有最小倾斜角经线与大端筒体的连接点达到最大值，整条曲线根据最大值点左右对称。图4e中曲线也是关于最大值点左右对称，最大值点与图4d发生在同一位置。

综合以上各图可以看出实验测试值与有限元计算值的变化情况基本一致，但是在数值上两者会有一些偏差，分析其原因可能是因为：容器结构造成实验测得的数据具有一定的偏差，如偏心锥壳部分有一块铭牌以及容器制造时留下的焊缝等；实验测点位置所对应的有限元模型上的取点位置是按照作者估算而得，会有一定的对应误差。

4 不同锥角的偏心锥壳

文献[7]对偏心锥壳模型仅改变锥角(分别改变为30、40、50、60°)进行了有限元计算，发现偏心锥壳具有最大倾斜角的经线上的环向应力突变程度随着锥角的增大而增大，最大环向拉、压应力值也分别随着锥角的增大而增大。GB 150和ASME Ⅷ-2只对偏心锥角不大于30°的偏心锥壳进行了定义，笔者设计的小型压力容器的偏心锥壳结构按照锥角为45°的正锥壳设计，其环向应力测试值和有限元模拟值的应力变化趋势基本一致，且能在设计压力下正常工作，这说明了当偏心锥角处于30～45°之间时，按照相同角度的正锥壳设计得到的结构是可以正常工作的。