多接管标准椭圆形封头应力分析与安全评定*

王利新,李治国,杨 刚,李 斐

(兰州兰石集团换热设备有限责任公司,甘肃兰州 730314)

多接管标准椭圆形封头应力分析与安全评定*

王利新,李治国,杨 刚,李 斐

(兰州兰石集团换热设备有限责任公司,甘肃兰州 730314)

通过有限元方法对含多接管的标准椭圆形封头进行应力分析与安全评定,发现开孔结构造成封头顶部承载区域减小,同时开孔结构不连续造成了顶部应力增大,在封头顶部接管包围区域的应力值较不开孔封头结构最大应力增大了1.6倍;随着开孔直径的增大,两接管的距离减小,从而造成两接管产生干涉效应,对结构的整体性安全性产生影响;最后对多接管椭圆形封头进行安全评定。

标准椭圆形封头;接管;内压;应力;有限元

0 引 言

椭圆形封头力学性能仅次于半球形封头,制造方便,综合性能突出,被广泛应用于中低压容器。由于工艺需要,常需在封头上进行开孔接管以满足工艺需要,开孔势必造成壳体剩余承载区域的减小,削弱封头的结构强度[1];开孔接管边缘处必然产生一定的应力集中;开孔结构造成封头结构的不连续产生不连续效应;接管与接管之间,接管与封头边界随开孔的增大,接管与接管,接管与封头边界距离的减小,从而造成两个边界产生边界效应的相互干涉[2]。

出于对多接管标准椭圆形封头安全性考虑,需对椭圆形封头进行必要的应力分析与安全评定[3]。

1 有限元模型

1.1 计算模型

如图1所示为模型结构图。

图1 模型结构图

以带有三个接管的标准椭圆形封头(EHA 1600× 16)结构作为研究对象,接管N1,N2,N3中心轴线距椭圆形封头回转轴线350 mm,接管N1规格为Φ530× 14,接管N2规格为Φ219×8,接管N3规格为Φ426× 12,封头材质为Q345R,接管材质为20钢;设计压力为1 MPa,设计温度185℃。Q345R弹性模量E= 207.0 GPa,泊松比ν=0.3,屈服强度σs=316 MPa。

1.2 网格划分

利用ABAQUS进行有限元分析,对模型进行实体分割,对接管与封头连接结构复杂部位采用六面体占优单元进行划分,并对相关区域进行必要细化,其余部分采用结构化六面体划分,共可生成129 901个单元。

1.3 载荷与边界条件

在封头的底部壁面施加完全约束,防止封头发生移动;对接管N2,N3端面施加约束,沿接管端面法线自由度不约束。对封头与接管内表面施加均布内压载荷,计算载荷为设计压力,N1端面施加沿法线方向的拉应力,大小为0.986 MPa。

2 有限元模拟结果分析

2.1 封头应力分布

图2为封头应力分布云图,从图中可看到,最大应力为118 MPa,出现于封头内表面接管与封头相贯区域且位于接管N2与接管N1距离最短处[4]。

图2 应力分布云图

将本文接管模型与未开孔标准椭圆形封头的计算结果进行对比分析,图3为椭圆形封头内表面沿母线应力变化曲线,图4为椭圆形封头外表面沿母线应力变化曲线,从图3,4可以发现,在封头顶部接管包围区域的应力值较不开孔封头结构最大应力增大了1.6倍。开孔结构造成封头顶部承载区域减小,同时开孔结构不连续造成了顶部应力增大。随着母线距开孔区域距离增大,边缘效应的自限性发生作用,应力减小,并同未开孔封头应力趋于一致,在靠近封头曲边与封头直边处,应力发生突变增大,这是由于总体结构的不连续而导致连接边缘的局部区域出现衰减很快的应力升高现象。在封头约束端由于载荷的不连续,造成应力的再次升高。

图3 椭圆形封头内表面沿母线应力变化曲线

图4 椭圆形封头外表面沿母线应力变化曲线

2.2 封头相邻接管干涉效应分析

随着开孔直径的增大,两接管的距离减小,从而造成两接管产生干涉效应,对结构的整体性安全性产生影响。从图2可发现,各接管高应力点出现在与孔距离最短处。图5为接管N1与N3沿C-C路径的应力分布曲线,可以发现在靠近N1接管处应力最大,为110.098 MPa,随着远离接管N1的距离增大,边缘效应的自限性发生作用,应力逐渐减小,当距离N1为138.166 mm时应力变化趋于平直,随着距接管N3的距离减小,应力逐渐增大,在靠近接管N3处应力达到最大。从图中不难发现,开孔较大的接管N1处的应力要比开孔较小的N3处应力大,这是由于接管轴线距封头回转轴线距离相同,开孔较大的接管N1边缘更接近封头顶点;N1处的开孔较大,边缘效应比N1更加显著。

2.3 接管相贯线应力分布

图6为接管N1相贯线应力分布曲线,内侧相贯线比外侧相贯线具有更高的压力;从图中可发现,接管相贯线应力分布有明显的两个波峰,应力值分别为118.197 MPa和107.118 MPa,两个波峰出现的位置位于距接管N2,N3距离最短处,封头相邻开孔结构造成各孔产生干涉效应,对接管应力分布产生影响。

图5 C-C路径的应力分布曲线

图6 接管N1相贯线应力分布曲线

2.4 安全评定

分析设计中先对容器的危险点进行详细的应力分析,根据各种应力产生的的原因对应力进行分类,再根据各类应力对容器的危害的差异性采用不同的设计准则加以限制[5]。文中模型的最大应力出现于接管N2内表面相贯线处,对接管N2绘制如图7的路径并进行应力线性化得出评定接管见表1。

图7 应力线性化路径图

表1 封头接管处应力处理线评定结果 /MPa

运用分析设计方法进行应力分析与评定,结果表明,该危险部位应力强度均满足分析设计标准中的应力评定原则并具有较大的余量,可进行进一步的优化设计以达到最好的结构形式。

3 结 论

经过对多接管标准椭圆形封头进行结构应力分析以及安全评定,该受压椭圆形封头及接管在给定结构尺寸和设计工况的条件下,其强度满足相应要求。从结构应力分析中可得出如下结论。

(1)由于开孔结构造成封头顶部承载区域减小,同时开孔结构不连续造成了顶部应力增大,封头顶部接管包围区域的应力值较不开孔封头结构最大应力增大了1.6倍。

(2)开孔边缘应力具有自限性,但随开孔直径的增大,影响区域增大。

(3)随着开孔直径的增大,两接管的距离减小,从而造成两接管产生干涉效应,对结构的整体性安全性产生影响。接管与封头相贯处应力分布受相邻接管开孔的影响显著,距离较近处应力增大明显。

[1]徐 岩,郑洪涛,梁海东,等.椭圆形封头大开孔结构强度分析[J].热能动力工程,2007,22(4):404-408.

[2]郭崇志,陈文昕,纪昌盛.具有大开孔接管结构的椭圆封头边界效应[J].华南理工大学学报(自然科学版),2006,34(4):106-110.

[3]张 薇.带有接管的椭圆形封头结构应力分析及评定[J].油气地面工程,2008,27(7):11-12.

[4]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5]郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社,2010.

Stress Analysis and Safety Assessment of a Standard Ellipsoidal Head w ith Several Nozzles

WANG Li-xin,LIZhi-guo,YANG Gang,LI Fei
(Lanzhou LSHeat Exchange Equipment Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

The stress analysis and safety assessmentof a standard ellipsoidal head with several nozzles are studied through the finite elementmethod.It is found that the stress value at the top of the head is increased by 1.6 times than thatwith no nozzle when the bearing area on the top of the head is reduced;With the increase of the hole diameter,the distance between nozzles is decreasing,thus it is resulted in interferential effect and influence on the structure of the overall safety.The safety assessment of themulti-nozzle elliptical head is carried out in the end.

standard ellipsoidal head;nozzles;internal pressure;force;finite element analysis

TE980

A

1007-4414(2015)06-0081-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.029

2015-08-21

王利新(1988-),男,内蒙古呼和浩特人,硕士,主要从事换热器设计方面的工作。