不锈钢氢化罐顶部应力强度分析与评定

陈小洪

（常州大学机械工程学院，江苏 常州213164）

0 引言

与其他化工设备类似，氢化罐结构设计的合理性影响着设备的生产效率、安全可靠运行的周期，因而设计和检验人员特别关注设备的强度问题，以保证其安全可靠性[1]。随着计算机仿真技术的日渐优化，除了理论强度计算，ANSYS仿真分析在化工设备结构强度的分析上获得了较为成功的应用[2]。范欣等对高压空气储罐ANSYS疲劳分析，得出应力强度分布，由计算所得的疲劳累计使用系数验证设备啊安全性[3]。俞然刚等将ANSYS仿真计算与理论计算进行比较，两者较为一致，验证了模拟分析的可靠性[4]。华平等通过对大型球罐的有限元仿真，发现应力集中最大部位处于支柱与罐焊接位置[5]。对于不锈钢氢化罐顶部人孔及机架凸缘局部结构，文章采用ANSYS分析软件，分析该位置处在承受载荷后的应力分布情况，验证该不锈钢氢化罐结构形式的合理性，所得的结果为此不锈钢氢化罐的设计以及结构的优化改进提供了一定的依据。

1 不锈钢氢化罐结构

某工程应用的不锈钢氢化罐的主体结构如图1所示，整个氢化罐为圆筒状，上下为常用的椭圆形封头。顶部椭圆封头上设置有搅拌凸缘和机架凸缘，以保证氢化罐筒体与机架的连接。设计时整体结构按照GB/T150-2011《压力容器》等一系列现行法规、标准进行常规设计，由于顶部人孔及机架凸缘局部结构较为复杂，开孔尺寸等超出了上述标准规定的范围，常规设计无法完成相关计算。工程上一般根据相关经验，施加一个较高的安全系数，采取加大开孔部位的厚度等方法完成相关设计，但没有可靠的校核方法来保证设备安全。文章采用大型有限元计算软件ANSYS，对该不锈钢氢化罐顶部人孔及机架凸缘局部结构部位，在内筒最高允许工作压力等危险工况下的进行应力分析及评定，确保设备的结构设计安全。按照相关规定，应力评定方法参照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，其局部结构处相关材料的许用应力仍按GB/T150-2011《压力容器》标准中的有关规定选取。该氢化罐设计压力为1.0 MPa，最高允许工作压力为1.1 MPa，设计温度为150℃，有限元分析时按照最危险工况施加压力载荷。相关材料特性如表1所示。

图1 不锈钢氢化罐主体结构

表1 材料特性

2 有限元分析

2.1 模型建立

根据此不锈钢氢化罐的结构特点，考虑模拟仿真所需耗时，将原结构进行简化建模仿真。所建立的模型仅仅考虑设备中是人孔接管、机架凸缘，以及与人孔接管相连接的封头和筒体，而剩余的其它局部结构特征均忽略。由于此不锈钢氢化罐为对称结构，可仅模拟分析此不锈钢氢化罐的一半结构。根据现有的板壳理论研究：当离开不连续处的距离（即圆筒的长度）超过其中R为圆筒半径，δ为圆筒壁厚）时，边缘应力的影响可以忽略不计。在实际计算时，一般取圆筒的长度不小于因而这里建模取筒体长度的一半进行分析。

2.2 网格划分

对所建立的不锈钢氢化罐三维模型进行节点数较多的结构化网格划分，这样可以真实反映人孔接管在压力载荷作用下的应力特征。仿真计算采用实体单元，选用8节点六面体单元solid 45，最终的有限元模型如图2所示。

图2 有限元分析模型

2.3 边界条件及载荷

对筒体内表面均布内压作用，内压采用最高工作压力1.1 MPa施加；人孔接管的端部施加相应的轴向平衡面载荷；在筒体下端面施加相应的轴向位移约束，在对称面施加对称约束，为防止容器整体的轴向刚体位移，施加X方向相应的位移约束，具体见图3所示。

图3 边界条件与载荷示意图

2.4 有限元分析结果

对所建立的不锈钢氢化罐三维模型进行ANSYS有限元分析，其总体应力强度分布云图分布情况如图4所示。其中人孔接管应力强度分布云图、凸缘应力强度分布云图、筒体及封头应力强度分布云图依次如图5、图6、图7所示。仔细观察应力最大的人孔接管应力强度分布云图，其中应力强度的最大值出现在图中人孔接管与封头的连接处（图中MX标示处），最大值为327.034 MPa，由于该处的几何突变的存在，其应力属于含峰值应力成分，根据应力分析的理论，应力许用值可以放大3倍，因此在这些应力最大区域也是安全的。而机架凸缘上应力值比较小，小于材料的许用应力，因此，完全满足强度要求。

图4 总体应力强度分布云图

图5 人孔接管应力强度分布云图

图6 凸缘应力强度分布云图

图7 筒体及封头应力强度分布云图

3 应力强度评定

按照JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》的规定，强度校核采用最大切应力理论，应力强度规定为最大切应力的二倍，即

式中，S12＝ σ1- σ2，S23＝ σ2- σ3，S31＝ σ3- σ1，S为应力强度，σ1、σ2、σ3为主应力。

一次总体薄膜应力强度SⅠ应不超过设计应力强度值 KSm，即：

一次局部薄膜应力强度SⅡ许用值为1.5KSm，即

一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度SⅢ的许用值为 1.5 KSm，即

一次局部薄膜应力加一次弯曲应力以及二次应力的应力强度SⅣ的许用值为3Sm，即

式中K为载荷组合系数，对于本分析，K=1；Sm为材料在设计温度下的设计应力强度。

按照JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》的规定，对人孔接管与筒体和封头连接部位以及非根部与轴线垂直截面位置取相应的应力评定线，将应力分解为相应的总体薄膜应力Pm或局部薄膜应力Pl，一次弯曲应力Pb和二次应力Q，然后对其进行应力评定，评定结果如表2所示。

表2 各应力分类线的应力强度评定

经过对该顶部局部结构的有限元分析计算，由表2可知此不锈钢氢化罐在最高允许压力工作状态下其强度满足相应要求。

4 结论

对不锈钢氢化罐顶部人孔及机架凸缘局部结构部位在内筒最高允许工作压力情况下的应力分布情况进行ANSYS分析，可以得出：此不锈钢氢化罐顶部的应力强度的最大值出现在图中人孔接管与封头的连接处，由于该处的几何突变的存在，其应力属于含峰值应力成分，根据应力分析的理论，其应力值小于应力许用值的3倍。而机架凸缘上应力值比较小，小于材料的许用应力，因而此不锈钢氢化罐设计符合强度要求。此外，通过ANSYS分析仿真所得的结果也为此不锈钢氢化罐的设计以及结构的优化改进提供了一定的依据。