外压圆筒开孔补强计算与稳性研究

尚勇志，何佳伟

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212100）

0 引言

压力容器已在石油、化工等行业，以及海洋工程、轻工机械、生物工程、医疗器械等领域得到广泛的应用。但因长期使用，不同程度地受到环境影响，必然会造成容器尺寸、形状等发生变化或容器材料性能发生变化，致使容器产生过度变形、断裂以及泄露等现象，而丧失正常功能。

高勇等[1]以石油化工行业中广泛应用的外压容器为对象，利用有限元法研究了开孔率、容器厚度等参数对外压容器失稳的影响，得出了一些有益的结论；方小里等人[2]对有接管和无接管大型薄壁外压容器进行了非线性失稳对比分析；崔伟以外压薄壁圆筒为对象[3]，针对筒体尺寸、材料性能以及初始缺陷（椭圆度、材料不均匀性）等，开展了其临界压力以及屈曲形态的影响分析，以及支座结构、开孔结构对临界压力和屈曲形态的影响研究。

深海可燃冰开采已成为海洋资源开发的重要内容，而可燃冰开采过程所使用的乙二醇再生与回收系统（MRU），其核心装备包括预处理、再生及脱盐等[4-5]。负压闪蒸罐作为MRU 脱盐系统中的核心部件，需要保证其在使用中的稳定性[6]。

本研究以负压闪蒸罐为对象，采用压力面积法和膜-弯曲应力法，进行开孔补强应力计算，并对比分析了结果的合理性，为容器设计提供了参考，提高了容器的可靠性。

1 负压闪蒸罐结构与参数

深水气田MRU 脱盐系统中使用的负压闪蒸罐由筒体和封头组成。筒体结构如图1 所示，该筒体几何参数包括罐身高650 mm、直径400 mm 和容积80 L。其筒体内可分为气相段和液相段两部分，其中气相段为快速蒸发阶段，含盐乙二醇溶液在筒体内壁自上而下形成液膜，并且在高温下蒸发；液相段为表面沸腾段，由于压力的变化，乙二醇溶液开始沸腾，此时乙二醇溶液中一价盐的溶解度不断降低，并开始析出[5]。

图1 筒体半剖视图

根据深水气田MRU 脱盐闪蒸装置运行工况，按照GB150.3-2011《压力容器第3 部分：设计》要求进行设计和计算，负压闪蒸罐基本设计参数见表1。

表1 容器参数表

2 开孔对筒体临界压力的影响

2.1 开孔筒体失稳临界压力

压力容器壳体开孔后，整体强度受到削弱，同时导致开孔处结构连续性遭到破坏，造成筒体结构上的缺陷[7]，使容器承压能力下降。因此，在压力容器稳定性分析中，必须考虑开孔所引起的结构缺陷以及对筒体失稳临界压力的影响[8]。

在原有筒体模型基础上增加径向开孔，建立带开孔接管筒体模型，使用ANSYS Workbench 对开孔筒体进行失稳分析，其结果如图2 所示。

图2 有接管筒体失稳变形

保持筒体其他尺寸不变，计算不同开孔直径下筒体的失稳临界压力，结果见表2。

表2 开孔筒体临界压力

从表2 可知，筒体表面结构受开孔影响后，其失稳临界压力小于未开孔的筒体，且随着开孔率的增大，开孔结构对筒体抗失稳能力的影响不断增大，当开孔率达到0.4 时筒体的失稳临界压力降低了70.56%，说明筒体结构稳定性遭到破坏，需要对开孔应力集中区域进行补强。

2.2 压力面积法计算结果

西德AD 规范表明压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围内的壳体、接管和补强材料的面积所具有的承载能力相平衡[9]，计算式为：

式中，Afs为壳体上开孔区有效承压金属面积，mm2；Afw为补强连接处凸出壳体表面焊接接头金属面积，mm2；Afp为补强圈截面金属面积，mm2；Afb为接管上开孔区有效承压金属面积，mm2；Aps为补强有效范围内壳体的压力面积，mm2；Apb为补强有效范围内接管的压力面积，mm2；[σ]s为壳体材料许用应力，MPa；[σ]p为补强材料许用应力，MPa。

式中的应力集中系数是随具体的开孔补强结构尺寸变化而变化的，其最大值按照第三强度设计理论来确定。计算时，当壳体、接管和补强圈的材料都相同时，则取[σ]s= [σ]p= [σ]b= [σ]

则上式可化为：

应力计算结果如下：

（1）筒体有效补强宽度

式中，δe为筒体壁厚，mm；R0为筒体半径，mm；C为筒体偏差厚度，mm。

（2）接管外侧有效补强高度

式中，C′为接管偏差厚度，mm；Rn为接管半径，mm。

因而有：

这里，压力面积法计算得到的应力为140.72 MPa，虽然在材料的许用应力范围之内，但是已经非常逼近许用应力，由此可以判断，开孔引起的应力使结构处于极限承载状态，开孔处局部区域极有可能会存在一定程度的塑性变形。

2.3 膜-弯曲应力法计算结果

膜-弯曲应力法是由美国《ASME 压力容器规范》最早提出，通过计算各承载区域截面上薄膜的应力，并将其控制在材料的许用应力以内，以满足结构承载要求[10]。

除了满足结构的一次总体及局部薄膜应力强度外，还要考虑到壳体开孔前、后压力在接管部位的作用位置发生变化而引起的弯矩产生的弯曲应力的强度问题。按膜-弯曲应力法，应满足薄膜应力不超过许用应力，薄膜应力与弯曲应力之和不超过1.5 倍许用应力[11]，即：

（1）薄膜应力计算

式中，As为补强圈总承载面积，mm2；Rnm为接管平均半径，mm；Rm为筒体平均半径，mm；tn为接管厚度，mm；te为补强圈厚度，mm。

（2）弯曲应力计算

满足条件：

计算结果如下：

由此可知，开孔处应力过大，已超过了材料的许用应力。

3 结束语

以深海气田MRU 脱盐系统负压闪蒸罐为研究对象，分别构建了开孔罐体的结构模型和有限元分析模型，并通过有限元法、压力面积法和膜-弯曲应力法对其进行应力计算和对比分析。

分析与计算结果表明：开孔结构削弱了筒体的抗失稳能力，且随着开孔率的增大削弱更多；计算开孔处应力时，压力面积法是一种极限设计方法，仅考虑了开孔处的薄膜应力强度，而膜-弯曲应力法在计算时还考虑了弯矩作用下的弯曲应力，从计算结果来看，膜-弯曲应力法更加安全可靠，而采用压力面积法进行开孔补强设计计算时，则需要留出足够的安全裕量。