多层包扎金属压力容器焊缝错位角的有限元分析

王东帅，李福宝

（沈阳工业大学化工装备学院，辽宁 辽阳 111003）

1 绪论

通过查阅文献可知多层包扎式金属压力容器的筒体与单层式筒体相比制造过程简单，同时也不需要大型、复杂的加工设备，适应于更多中小型企业发展；而且与单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能性[1]，同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适的筒体材料[2，3]。本文通过利用Ansys 软件进行仿真分析实验的方法来对金属压力容器部件进行分析，得出压力容器的校核计算，从而来获取压力容器多层包扎金属筒体的最佳相邻层板焊缝错位角。

2 三维实体的建模以及有限元分析

多层包扎式金属压力容器的筒体由内层和层板构成，层板与层板间由纵焊缝连接而成，通过焊缝的连接会产生额外的预紧力，使得各个层板之间互相贴紧，产生一定的预紧力，从而使得筒体的连接更牢固，在受相同压力的情况下，产生的形变更小，相对于单层化工反应容器更加安全可靠。

2.1 包扎式筒体的静力学计算

本文的多层包扎式筒体外径Ro=250mm，内径为Ri=200mm，内层筒体的厚度Sn=15mm，层板的厚度为Sw=5mm，本论文压力容器所选的材料为Q345R，这种材料的屈服点为340MPa，是中国压力容器制造业使用最多金属板，这种金属板具有良好的力学性能和制造工艺性能。其中Q354R 的抗拉强度σb=490MPa，屈服强度σS=345MPa，E=2.05×105MPa，μ=0.3。

对于圆柱壳体，由筒体外径和筒体内径之比，可以得出筒体是薄壁筒体还是厚壁筒体，根据筒体的厚薄来选定合适的计算公式，由公式：

可以得出K=1.25 ＞1.2，即本文的筒体为厚壁筒体。

对于本文的多层包扎金属压力容器筒体而言，由于K＞1.2，故为了得出仿真实验的准确性，可采用厚壁筒体的Mises 屈服条件来进行核算：

其中σθ—周向应力。

σS—屈服轻度。

r—任意半径。

Ro—外径。

当r=Ro时可计算最大屈服极限应力σmaxθ=375.28MPa，可理解为此时的筒体处于塑性状态，从而得出最大的塑性极限应力，通过与仿真实验的最大集中应力进行比较，从而得出仿真实验的准确性，同时对于筒体多层包扎筒体最佳焊缝错位角的选择做好理论基础。

2.2 多层包扎金属压力容器筒体三维实体的建模

为了探究筒体每层层板间纵焊缝相差角度对筒体裂纹沿厚度方向扩展程度的强弱，本文通过利用控制变量法，来研究一个数据的变化对结果所造成的影响，这样的实验更利于结果的准确性以及工程的可行性，通过利用CAXA 三维绘图软件制作出了壁厚相同的9 个筒体，以此来研究每层层板纵焊缝相差角度变量与筒体产生集中应力的相关关系。

通过对1 到9 层板纵焊缝角度差的观察能够发现，每一层是由3 块层板均匀布置的，即每个层板所占的角度为120°，当两个筒体各层间的焊缝差值和为时，即筒体布置层板焊缝时会出现相同的布置方式。

3 多层包扎金属压力容器筒体的有限元分析

3.1 多层包扎金属压力容器筒体的有限元仿真模拟

本文通过对多层包扎金属压力容器的筒体进行了有限元分析，通过控制变量法要求施加的载荷、约束、结构和材料特性均保持一致，而只对相邻筒体层板间的焊缝错位角度进行了改变，这种分析的方法简单，同时也利于分析数据的后期处理。

3.2 多层包扎金属压力容器筒体的有限元仿真分析及结果后处理

本文是整体压力容器的一部分，因此对筒体两端采取了约束。由于筒体两端承受约束，在受内压时，筒体端口出现了应力集中的现象，但是由于端口应力集中的情况，使得周围的应力出现了局部减小的状况，又由于所选的材料具有一定的弹性，中间位置出现了弹性变形，故在加压时整个筒体在放大的情况下，外形呈现出端口小，中间大的特性，对比几个图可以清楚的看到筒体相邻层板焊缝错位15°和105°时，出现应力集中的情况较为严重，由材料力学可知，结构在失效时，首先失效的是应力集中区，故本实验只考虑最大应力与相邻层板焊缝错位角度的关系。为了得出最优的相邻层板焊缝错位角度，通过对这9 组实验进行总结分析得出了相邻层板焊缝错位角度与应力关系图，见图1、图2。

图1 相邻层板焊缝错位角度与最大应力关系图

从图1 可以看出，该图形关于60°对称，在相邻层板焊缝错位角度为0°、30°、60°、90°、120°处最大应力取得最小值，最小值的范围在308MPa 左右小于最大塑性极限应力，而取得最大值在15°和105°处，此处取值为336MPa 小于最大塑性极限应力，说明多层包扎筒体在受内压的情况下，满足筒体的应力要求，同时也优于单层筒体的结构设计。同时从图1 中可以清楚的看出，图形有五个最低点处，即在控制变量法的条件下，多层包扎筒体相邻层板焊缝错位角度在这五个值附近所产生的应力集中最小，从对称的角度来分析，0°和120°、30°和90°这两组的结构是一致的，因此在0°—90°满足最优解的有三个：0°、30°、60°。这一点对于加工一层由三块层板组成的多层包扎筒体而言具有重要的参考价值，即在加工制造的过程，应该注意相邻层板焊缝的错位角度，利用同样的条件，产生最大的使用效率。

上述的实验进行了结果后处理得到了相邻层板焊缝错位角度与位移关系图，见图2。

图2 相邻层板焊缝错位角度与最大位移关系图

图2 中图形成一个“W”型，关于60°对称，在0°、60°和120°位移取得最大值，即在受相同内压的情况下结构变形最为严重，而在相邻层板焊缝错位15°、30°、45°、70°、90°、105°处，位移变形大约在0.1983mm处，相对筒体直径而言，筒体的整体位移变形属于微变形，如果以筒体的最大位移来衡量相邻层板焊缝错位角，这种措施相对于用集中应力来衡量筒体相邻层板焊缝错位角较为不足。

4 结论

本文通过利用三维画图软件绘制出了相邻层板焊缝错位角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°九组多层包扎金属压力容器筒体，其中每层筒体由3 块层板焊接而成（最内层除外），利用控制变量法将约束、载荷、结构和材料特性保持一致，从而在ANSYS有限元仿真分析中得出了只有自变量相邻层板焊缝错位角对仿真实验的影响。如果只考虑载荷作用下应力集中的问题，通过有限元仿真计算所选的相邻层板焊缝错位角应该在0°、30°、60°附近较为合适；如果将筒体应力集中问题和位移变化问题结合到一块筛选的话，那么相邻层板焊缝错位角在30°附近对于多层包扎筒体加工而言将会是最优角度。