内压圆筒斜接管的强度研究与应力评定*

刘 欢，吴喜军，张亚宁

(榆林学院 建筑工程学院，陕西 榆林 719000)

随着人们生活水平的提高和现代工业的迅猛发展，对压力容器性能要求也变得越来越高。压力容器，顾名思义，是含有压力的容器，根据内部压力和外部压力的大小可以分为内压容器和外压容器[1]。内压容器根据设计压力的大小可以分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器等。压力容器主要组成部分为筒体和封头，由于工艺过程或者检修需要在筒体或者封头上开孔，开孔可以分为单一开孔和开孔并带有接管2种形式，而开孔并带有接管应用最为广泛[2-3]。

在压力容器上开孔破坏了结构的连续性，在内压作用下，开孔部位除了承受薄膜应力外，还承受不连续应力，因此，总体应力增大，容易发生强度失效，属于危险区域。开孔接管作为压力容器的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响着整台压力容器的综合性能。有关压力容器开孔接管的应力分析一直都是各个领域尤其是能源化工行业的一项最基本也是最重要的探索和任务，在保证安全的前提条件下，尽可能做到经济，减少成本消耗，因此对压力容器开孔接管区域应力强度分析与设计越来越受到国内外学者的关注[4-7]。在压力容器的应力分析研究中，需要进行比较全面的应力分析和强度校核，常规的应力解析不能满足要求，ANSYS有限元方法不需要进行大量的理论数据计算实验，既提高了效率，又节省了成本，成为压力容器应力分析及安全评定的重要方法之一[8-10]。因此，利用ANSYS有限元方法对压力容器开孔接管区域进行应力分析具有很高的经济效益。

国内外学者主要对正交开孔接管进行分析，考察几何参数和载荷对其应力分布的影响，对斜接管研究较少，且其受力情况十分复杂[11-13]。因此作者以斜接管为研究对象，借助ANSYS有限元方法对不同结构参数下的轴向斜接管大开孔结构进行建模并进行数值模拟，从模拟的结果中对应力分布规律进行研究，分析改变不同结构参数对斜接管应力分布的影响，所得结论对内压圆筒斜接管的应力分析具有一定的研究意义和参考价值。

1 有限元分析

1.1 工作条件及结构参数

筒体内径D=400 mm，筒体厚度T=15 mm，接管内径d=350 mm，斜接管厚度t=10 mm，斜接管长度l=850 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=45°，不考虑边缘效应的影响，取筒体长度L=1 500 mm。筒体和接管材料均为不锈钢0Cr18Ni9，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服强度σs=205 MPa，抗拉强度σb=520 MPa，许用应力[σ]=137 MPa。由于模型几何尺寸和载荷具有对称性，因此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/2建模，利用ANSYS交互模式直接生成实体模型，再通过网格划分来获得三维有限元模型。所建几何模型见图1。

图1 斜接管模型

1.2 网格划分

采用边长为10 mm的等边三角形网格进行划分，并对筒体和接管连接附近区域进行网格细化。网格划分的节点数为130 000，网格划分的单元数为48 000。

1.3 边界条件及载荷

在分析中借鉴设备的实际操作情况，忽略了重力、风载荷、雪载荷、物料重力、温度载荷和地震载荷，主要考虑内压载荷。分析过程中，基于所建模型在空间坐标系的位置添加约束条件。因为接管的长度足够长，远大于接管边缘应力衰减长度，所以在x方向可以不施加约束，只需考虑y和z方向的约束即可[14-15]。

2 有限元模拟结果及其应力评定

以内压圆筒斜接管为研究对象，借助ANSYS有限元分析软件，通过改变筒体内径、接管内径、筒体厚度、接管厚度、接管与筒体夹角5个参数，考察其对圆筒轴向斜接管开孔接管区最大等效应力的影响，并对其进行应力安全评定。

2.1 接管内径对最大等效应力的影响

保持筒体内径D=400 mm、筒体厚度T=15 mm、接管厚度t=10 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=45°，接管内径d=150、200、250、300、350 mm，考察接管内径对内压圆筒斜接管最大等效应力的影响，见图2。

d/mm图2 不同接管内径下最大等效应力的变化曲线图

由图2可知，随着内压圆筒斜接管内径d的增大，最大等效应力呈增大的趋势。这是由于开孔系数作为影响压力容器最大等效应力的重要因素，与接管内径d成正比，因此，接管内径d越大，开孔系数越大，不连续程度增加，最大等效应力越大。

2.2 接管厚度对最大等效应力的影响

保持筒体内径D=400 mm、筒体厚度T=15 mm、接管内径d=100 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=45°，接管厚度t=6、8、10、12、14 mm，考察接管厚度对内压圆筒斜接管最大等效应力的影响，见图3。

t/mm图3 不同接管厚度下最大等效应力变化曲线图

由图3可知，随着内压圆筒斜接管厚度t的增大，最大等效应力呈减小的趋势。这是由于斜接管厚度t越大，接管强度增强，抗压能力增强，力学性能优良，因此最大等效应力减小。

2.3 筒体轴线与斜接管轴线的夹角对最大等效应力的影响

保持筒体内径D=400 mm、筒体厚度T=15 mm、接管内径d=100 mm，接管厚度t=10 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=30°、45°、60°、75°、90°，考察筒体轴线与接管轴线夹角θ对内压圆筒斜接管最大等效应力的影响，见图4。

θ/(°)图4 不同夹角下最大等效应力变化曲线图

由图4可知，随着筒体轴线与接管轴线夹角θ的增大，最大等效应力呈减小的趋势。这是由于筒体轴线与接管轴线夹角θ越大，筒体和接管由于几何尺寸所产生的不连续程度越小，因此最大等效应力减小。

2.4 筒体内径对最大等效应力的影响

保持筒体厚度T=15 mm、接管内径d=250 mm，接管厚度t=10 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=45°，筒体内径D=150、200、250、300、350、400 mm，考察筒体内径D对内压圆筒斜接管最大等效应力的影响，见图5。

D/mm图5 不同筒体内径下最大等效应力变化曲线图

由图5可知，随着筒体内径D的增大，最大等效应力呈增大的趋势。这是由于开孔系数作为影响压力容器最大等效应力的重要因素，与筒体内径D成正比，筒体内径D越大，开孔系数越大，相对应的应力集中系数增大，因此最大等效应力增大。

2.5 筒体厚度对最大等效应力的影响

保持筒体内径D=400 mm、接管内径d=100 mm，接管厚度t=10 mm，筒体轴线与接管轴线夹角θ=45°，筒体厚度T=12、14、16、18、20 mm，考察筒体厚度对内压圆筒斜接管最大等效应力的影响见图6。

T/mm图6 不同筒体厚度下最大等效应力的变化曲线图

由图6可知，随着筒体厚度T的增大，最大等效应力呈增减小的趋势。这是由于筒体厚度T越大，开孔系数减小，相对应的应力集中系数减小，因此最大等效应力减小。

3 应力集中系数的计算

引入应力集中系数K，计算公式见式(1)。

K=σmax/σθ

(1)

式中：σmax为最大等效应力，MPa；σθ为周向应力，MPa。

不同结构参数下模型的最大等效应力集中系数见表1和表2。

表1 改变开孔率下的应力集中系数

表2 改变夹角下的应力集中系数

由表1可知，开孔率越大，应力集中系数越大，说明在保持其他条件不变的情况下，开孔率越大，应力集中现象越明显，而开孔率的大小与接管内径成正比，因此控制开孔率可以简化为控制接管内径。

由表2可知，应力集中系数在θ=30°～75°下降的速度十分急剧，在θ=75°～90°下降速度比较平缓，应力集中系数在θ=30°时最大，在θ=90°时降到最小，因此在设备生产制造中，可以把角度适当控制在θ=75°～90°，设计出来的设备力学性能好。

4 结 论

(1)随着接管内径d、筒体内径D的增大，最大等效应力呈增大的趋势；随着接管厚度t、筒体轴线与斜接管轴线的夹角θ、筒体厚度T的增大，最大等效应力呈减小的趋势；

(2)通过应力集中系数的计算，可以控制接管内径和夹角θ=75°～90°减小应力集中系数。