开孔补强中法兰结构对模型的影响

吕明，李成龙，冯敏

开孔补强中法兰结构对模型的影响

吕明，李成龙，冯敏

（中国石油抚顺石化公司烯烃厂， 辽宁 抚顺 113001）

在压力容器大开孔计算中,常常使用有限元方法，传统有限元模型只考虑到接管对补强的影响,结果相对保守。在低压大开孔计算中法兰结构常常起到加强接管补强的作用。对不同厚度下的无法兰与带法兰模型进行了有限元计算和比较，并总结了接管伸出长度对带法兰模型的影响。

开孔补强；有限元计算模型；接管伸出长度；法兰力矩

随着石油化工行业的大型化发展，大开孔结构在压力容器中越来越常见。传统等面积补强法已经不适合大开孔的计算。使用应力分类法越来越得到认可。其中有限元方法的迅速发展得到了设计人员的普遍使用。在使用有限元方法前，首先是对模型的简化［1］。在大开孔计算中，存在两种模型的简化，一种是参照等面积法，只考虑到补强面积的接管材料对开孔的作用，另一种是考虑整个接管模型对开孔补强的作用。第一种方法模型简单，求解方便，但是某种程度上对开孔模型简化得过于简单，计算结果可能较保守；第二种方法考虑了全部计算模型，真实地求得了开孔处的应力分布，但是模型复杂。下文着重讨论了两种模型的对比。

1 计算模型及方案设计分析

1.1 模型参数

假设某圆筒直径1 000 mm，在筒体上开500 mm的孔，具体结构尺寸见表1和表2，分别对其在不带法兰和带法兰情况下的变形进行讨论。

1.2 方案设计

（1）模型和网格

由模型的结构的几何特点，取结构1/4建立模型。网格划分采用20节点六面体单元。不带法兰结构和带法兰结构的模型见图1［2］。

表1 筒体及接管参数表Table 1 Cylinder and tube parameters list

表2 法兰数据参数表Table 2 Flange data list

图1 两种力学模型及网格划分Fig.1 Two kinds of mechanical model and meshing

（2）边界条件

简化模型边界条件为：

（a）位移边界：

在1/4对称截面处分别施加对称约束；

（b）力边界：

不带法兰结构在接管端面施加等效面力；

带法兰结构在法兰端面分别施加螺栓力和垫片反力；

1.3 计算结果讨论

两种模型计算结果见图2-3。在第一种情况下，模型在受到内压的作用下向外膨胀，且接管在等效拉应力的作用下把筒体外拉。由于接管端面无位移约束，且无刚性加强，因此接管端面变形较大，最终接管端面呈现为椭圆形［3］。在这种变形下，使得接管和筒体交界处开孔应力集中现象更加突出。且接管出现的椭圆形违背了实际情形下的接管端面变形形状。使得计算应力偏大，最终导致计算结果区域保守。

对带法兰结构的计算模型分析计算得到，由于法兰结构对接管端面刚性的加强，接管端面存在很小的变形，筒体横向剖分面外凸、轴向剖分面内凹的变形会小很多，这样就使得接管和筒体相交处的应力集中趋于缓和，更能得到准确的应力分布。

图2 两种模型横后剖面上应力云图比较Fig.2 Comparing the stress cloud profile cross of two models

2 法兰模型伸出长度对接管开孔补强计算结果的影响

上节主要考虑了法兰的作用对接管的影响，得到的结论是法兰的作用能大大减缓应力集中。本节主要讨论了不同伸长接管条件下，法兰的作用。

图3 两种模型顶部应力云图比较Fig.3 Comparing the top stress cloud of two models

不同接管伸出长度的法兰模型应力线性化如图4所示。

图4 不同伸出长度下法兰模型应力计算结果Fig.4 Stress calculations of model with flange under the conditions of different nozzle length

从图 4可以看出,当接管外伸较小时,法兰的刚性作用对接管补强效果表现的较明显，值得注意的是，此处的接管外伸长度至少要保证按照等面积补强条件下的接管外伸长度。

随着接管长度的增加，法兰的刚性效果越来越小直到不起作用。这是因为接管的伸长一方面起到了补强面积的作用，另一方面也起到了增强刚性的作用，当接管外伸达到一定长度时，应力大小基本不变［4］。

3 结 论

（1）从带法兰和不带法兰模型的计算分析得出，带法兰模型情况下更能准确的体现筒体和开孔处应力分布情况，不带法兰结构有限元模型计算结果显得比较保守。

（2）接管伸出长度对法兰作用的影响，在外伸长度较小的情形下，法兰的作用很明显，随着外伸长度的不断加大，法兰的作用慢慢降低，逐渐不起作用。

（3）分析发现在接管厚度较薄时，法兰的作用明显，随着接管厚度不断加大，法兰起到的刚性作用逐渐减小以至于忽略。

（4）建议在分析大开孔时，建立完整的计算模型，从而得到准确的应力分布，最终得出合理的设计结论。

［1］ 梅林涛，寿比南. 法兰对压力容器接管有限元结果影响的研究[J].压力容器，2001，18（9）：150-152.

［2］ 秦富友，杜四宏. 压力容器开孔接管区的应力强度评定[J]. 化工技术与开发，2011，40（7）: 52-54.

［3］ 余伟炜，高炳军. ANSYS在机械与化工设备中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

［4］ JB 4732-1995, 钢制压力容器-分析设计标准[S].

Impact of the Flange on Opening Reinforcement Calculation Model

LV Ming，LI Cheng-long，FENG Min
（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Factory, Liaoning Fushun 113001, China）

Calculation of large opening for the pressure vessel often uses the finite element method; the conventional finite element model only considers the impact of nozzles on the reinforcement, so the result is conservative. The flange structure in low pressure large opening calculations can often strengthen the reinforcement role of nozzles. In this paper, finite element calculation and comparison of models without flange or with flange under different thickness were carried out; influence of nozzle’s length on the model with flange was investigated.

Opening reinforcement; Finite element model; Tube extended length; Flange torque

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）04-0850-02

2015-02-12

吕明（1987-），男，辽宁抚顺人，助理工程师，硕士学位，2013年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，研究方向：从事化工生产技术工作。E-mail：lnfslvming@163.com。