高压反向人孔法兰结构的分析

韦权权，邓 超，陈 松，王政威



高压反向人孔法兰结构的分析

韦权权，邓 超，陈 松，王政威

（中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110167）

参数化分析能准确地反映设计条件中各个参数变量对应力集中区域可靠性的影响，运用ANSYS分析软件对高压反向人孔法兰结构进行疲劳强度校核，再通过输入变量参数运用Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）进行变量的可靠性分析，在找到最主要的影响因素时将结构的失效概率控制在预定水平内，从而规避了常规设计无法控制的设计风险，在保证设计安全的条件下达到更加经济的效果。

高压；结构；参数化；分析

根据法兰环与筒体的相对位置，反向法兰是指法兰环位于筒体内侧的法兰，此类法兰通常是在平封头开大孔且直接采用螺栓垫片连接的一种特殊结构。由于一些高压容器需要对内件进行维修，拆卸，采用此种结构可以增大开孔面积，方便操作工人的操作维修以及对设备内部的无损检测，降低操作工人的劳动强度。高压容器的反向法兰结构具有螺栓中心圆直径小，法兰外径相对较小，螺栓力小等优点，因此该结构在炼油、化工、核能工业的高压容器上得到了广泛的应用。

高压容器在循环的超高的操作压力以及人孔反向法兰的特殊结构都要求容器在疲劳强度分析的基础上进一步进行可靠性分析。本文主要采用ANSYS 结合Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）对某疲劳高压容器的反向人孔法兰结构进行疲劳强度校核、可靠性及相关参数的敏感性的分析和评价。

1 理论基础

Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）又称统计试验法，是对随机变量的数值模拟[1]。在ANSYS中采用蒙特·卡罗方法中效率更高的拉丁超立方法，通过输入与结构应力强度相关的变量进行更多次数的数值模拟。

由压力容器的疲劳失效准则可知[2]，结构的峰值应力强度v不允许超过a，如果结构的峰值应力强度v超过a则被认为失效，失效准则为：

a≥v（1）

式中：a—在相应的设计疲劳曲线中与规定的显著载荷波动总次数相对应的幅值；

v—结构在操作条件下的最大峰值应力强度。

那么结构的极限状态函数表示为：

(=a―v（2）

()≤0为失效状态[3]。其中为上式中所有不确定量（如结构几何尺寸、操作压力、设计温度等）组成的向量[4]。在本文中反向人孔法兰结构的可靠性就是指()> 0的概率。

2 实例分析

2.1 工况与结构简述

某高压容器，最高最低设计温度分别为50 ℃、-29 ℃，环境温度按照20 ℃进行分析，两个设计温度与环境温度所形成的温度场均不具有产生显著温差应力的能力，因此本人孔反向法兰结构的分析完全基于机械载荷的影响。结构所用材料为07MnMoVR钢板，使用状态为调质，其弹性模量为2.02×105MPa[5]，泊松比为0.3[6]。容器操作压力P为0～23 MPa，结构其它设计参量见表1。

表1 设计参量

2.2 模型建立与载荷施加

本容器并非在环境温度下工作，理论上应考虑温差应力的影响，但作为储存容器，内部介质的流动几乎可以忽略不计，因此介质与容器内壁的对流传热微乎其微。沿等温面不会有热量传递，通过耦合计算，本容器低于30 ℃的温度梯度对最大应力强度的影响要低于3%，故忽略了温度场对结构的作用[7]。

模型选取PLANE183单元进行网格划分，由于二维PLANE单元具备对称性，本模型建立二分之一即可。罐体端面限制模型的轴向位移，罐体及法兰内壁均布有内压，同时在内压作用下，反向人孔法兰受到轴向拉力，于是需要在法兰端面施加一个等效拉力载荷，可由下式计算求得：

=×22/ (32－22) （3）

求得=10.16 MPa，有限元模型与载荷施加情况如图1、图2所示。

2.3 疲劳强度分析

根据2.2所述条件对结构进行求解，所得的结构第三应力强度分布如图。

由图3可见，应力强度最大点出现在球形封头内壁与过渡段相焊接处。最大峰值应力强度值为v=381.5 MPa。而通过设计疲劳曲线可求得18 000次循环下的a值约为220 MPa，本结构应力循环属于全幅度的脉动循环，因此允许的峰值应力强度值应为=2a=440 MPa。显然，结构的峰值应力强度值小于。

图1 有限元模型

图2 载荷分布

图3 第三强度理论应力强度值

3 可靠性分析

随机变量的参数及分布见表2：

表2 参数及分布

使用表2的数据进行结构的可靠性分析，此时极限状态函数可表示为：

()=－v（4）

为保证抽样数目符合要求，抽样数量不宜过小，暂定为3 000次进行计算。计算所用置信度为95%。计算后首先查看抽样过程，见图4。由图可见输出变量的平均值与标准差均收敛，表明抽样次数已满足要求，同时可以看出，进行2 000次抽样即可满足收敛要求。

图4 抽样过程示意图

调取上述计算条件下极限状态函数()小于0的概率，见图5。()小于0的概率约为4.78%，亦即结构失效的概率；说明在95%置信度水平下结构的可靠度为95.22%。

图5 概率分析结果

Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）的特点是其所需的抽样次数不受变量个数的影响，求解时可以将所有不确定因素作为随机变量全部输入进行计算，再根据计算结果判断出相对重要的影响因素，从而了解到影响结构失效的关键因素，便于同时确保结构的安全性与经济性。人孔反向法兰结构的灵敏度分析结果见图6。分析图6可知，影响分析结果的关键因素有、1、2、1以及2，而、2与1则可视为常量。同时，、2、1的灵敏度为负值，这说明结构的可靠度会随着这三者标准差的增大而下降；1、2的灵敏度为正值，这说明结构的可靠度会随着这两者标准差的增大而上升。

图6 灵敏度分析结果

4 结论

根据JB/T4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准(2005年确认)》中相关规定，人孔反向法兰结构的计算结果满足结构在180 00次循环条件下的疲劳强度要求；并通过Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）对结构的可靠性分析，确认出操作压力、罐体内半径1、球形封头内径2、筒体厚度1为影响结构可靠性的关键因素。

通过运用Monte Carlo method（蒙特·卡罗方法）和ANSYS相结合的变量分析方法，能更直接的判断影响结构应力集中的主要因素，以便更加高效、准确的对复杂结构进行优化设计，在保证结构安全可靠的条件下达到节约制造成本的目的。

［1］ 余伟炜，高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007:52-60．

［2］JB4732-1995(2005年确认),钢制压力容器-分析设计标准[S]．

［3］ 王金龙.基于蒙特卡罗法的压力容器结构可靠性分析[J].潍坊学院报，2008,8（4）：5-8．

［4］ 吴世伟.结构可靠性分析[M].北京：交通出版社，1998:59-73．

［5］GB/T150.1～150.4-2011，压力容器[S]．

［6］ 李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2004．

［7］ 章熙民.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001:10-11．

Analysis on High Pressure Reverse Manhole Flange Structure

,,

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co., Ltd. Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110167, China）

Parametric analysis can accurately reflect the influence of various parameters in design conditions to the reliability of stress concentration area. In this paper, the ANSYS was used to check the fatigue strength of high pressure reverse manhole flange structure, and then Monte Carlo method was used to analyze the reliability of various parameters by inputting the variable parameters, the main influence factors were found out to control the structure failure probability in the alternative level, in order to avoid the design risk and achieve the more economical effect under the condition of design safety.

High pressure;Structure;Parametric;Analysis

TQ 052

A

1671-0460（2017）10-2094-03

2017-07-30

韦权权（1986-），男，辽宁省锦州市人，工程师，2010年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制工程专业，研究方向：从事压力容器技术工作。E-mail：weiquanquan@hqcec.com。