大开孔安全性有限元分析及建议

2018-04-02戴婧

安全、健康和环境 2018年1期

戴婧

(中海油石化工程有限公司，山东青岛 266101)

随着炼油及石油化工生产装置的大型化发展，为了满足工艺和结构要求，有时候设备管线开孔需要进行开大孔设计。大开孔的结构安全性直接影响整个设备的整体安全。大开孔区域应力情况复杂，因为大开孔结构开孔面积较大，从而破坏了壳体材料的连续性，削弱了其承载面积，容器壁强度也减弱，并且还会形成很高的局部应力集中，造成安全破坏。

1 几种算法比较

目前GB/T150提供了两种计算开孔补强的计算方法：等面积法和分析法，而针对大开孔结构常用的计算方法是有限元分析法。

1.1 等面积法

等面积法的适用范围如下。

a)圆筒内径Di≤1 500 mm时，开孔最大直径dop≤Di/2且dop≤520 mm；当圆筒内径Di>1 500 mm时，dop≤Di/3且dop≤1 000 mm。

b)凸形封头或球壳开孔的最大允许直径dop≤Di/2。

c)锥形封头开孔的最大直径dop≤Di/3，Di为开孔中心处的锥壳内直径。

需要注意的是：开孔最大直径dop对于圆形开孔取接管内直径加两倍厚度附加量，对椭圆形或长圆形开孔取截面上的尺寸(弦长)加2倍厚度附加量。

大开孔结构超出以上范围，所以大开孔不适用等面积法计算。

1.2 分析法

分析法的适用范围为d≤0.9D且max[0.5，d/D]≤δet/δe≤2。分析法虽然可以计算一般的大开孔结构，但是分析法不能得出接管与壳体连接结构的应力分布状态，从而求解不出最大应力的位置，无法对连接结构进行加筋等局部优化。所以，目前常见的计算大开孔的方法是有限元分析法。

1.3 有限元分析法

面对复杂的应力情况，有限元法具有计算精度高，能较真实的反应结构中的应力分布及应力值情况，能适应各种结构分析的优点。图1为生产实际中常见的大开孔结构[1、2]。

图1 大开孔二维图

图1中实例为具有大开孔结构的污油罐，容器筒体内径为1 100 mm，壁厚10 mm，工作温度为常温，工作压力是常压，内装介质为污油，属于易爆介质。容器筒壁处有一大开孔接管，大开孔施加0.1 MPa内压，腐蚀裕量按介质选取，一般介质可以选择3 mm，采用ANSYS有限元程序对以上结构建立模型，进行大开孔结构有限元分析设计。本文针对有限元分析计算法进行详细设计说明。

2 大开孔有限元分析

2.1 有限元模型分析参数设置[3、4]

单元选择SOLID186单元，泊松比均取0.3，弹性模量取2.06 e5 MPa。

2.2 网格划分及荷载施加

根据大开孔的结构特点和载荷特性，接管与筒体连接结构建立三维，1/4实体模型，网格划分结果如图2所示。

图2 网格

对各边界面施加对称约束，接管顶面施加拉伸应力，接管与壳体内表面施加内压，边界条件及载荷施加如图3所示，计算结果如图4所示。从结果可以看出，应力最大处位于接管与筒体相贯部分。线性化结果如图5所示。

图3 边界条件及载荷

2.3 结果评定

该设备根据JB 4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》设计，所以许用应力根据标准选取，此处大开孔结构总应力为S=170 MPa。通过对模型进行应力线性化处理[5]，得出以下结果：局部薄膜应力S1=65 MPa<1.5S(1.5×170=255 MPa)；局部薄膜加局部弯曲应力S2=127 MPa<1.5S。

图4 SINT应力云图

图5 线性化结果

综上结果可以看出，在正压工况下，大开孔结构强度计算符合要求[6，7]。

如若遇到强度计算不通过的情况，可根据应力薄弱点位置、原因，采取不同措施进行补强。筒体开孔通常会引起筒体承载能力削弱、开孔边界引起应力集中、以及筒体与接管连接结构不连续造成的附加边缘应力等问题。根据问题原因可通过局部增加筒体壁厚、补强圈补强或者整体锻件补强等方法进行强度补强，补强之后结构再进行应力分析，对结果进行强度比较。