承压筒体长圆形开孔应力分析

李亚坤，王猛，王志坚，纪鹏振

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 概况

压力容器行业作为国内传统制造行业，市场规模及产业需要日益增强，无论是在石化领域、锅炉辅机装备，还是在炼油、存储、化工等方面，行业发展潜力巨大[1]。因此，压力容器的设计方法和技术创新需不断提高。

目前，越来越多的长圆形开孔结构应用在承压筒体上，也随之带来了补强计算、结构优化等问题[2]。对于压力容器长圆形开孔补强，依据GB 150-2011《压力容器》[3]要求，等面积法适用于孔的长径与短径之比不大于2的情况。当长径与短径之比超过2时，长圆形开孔计算将采用分析设计方法[4]。本文基于ANSYS Workbench对承受内压及外压的圆筒长圆形开孔结构进行应力分析和评定，并分别考察了在内压和外压的条件下接管距轴线的距离对开孔结构的影响。

1 设计条件

1.1 设计参数

对于筒体长圆形接管结构，设计压力0.5 MPa，设计温度常温，筒体、接管及补强圈材料均为Q345R，结构尺寸见图1，材料参数见表1。接管距筒体轴向距离L，本文分别考察L为0 mm、350 mm、700 mm的情况下，长圆形接管开孔结构局部应力强度。

图1 筒体长圆形开孔结构

表1 设计温度下材料性能参数

1.2 计算模型

本文采用Ansys Workbench15.0，选用8节点的实体单元SOLID185，此单元可较好地模拟结构局部不连续区的应力分布。筒体长圆形开孔结构模型，如图2所示，壳体壁厚方向单元层数设为5层，并对不连续区进行网格局部加密。结构总单元数为266 348，总节点数为340 488。网格模型如图3所示，网格局部加密如图4所示。

图2 结构模型图

图3 网格模型图

图4 网格局部加密图

2 内压工况应力分析

2.1 边界条件

内压工况的边界条件见表2。

表2 内压工况边界条件

2.2 内压工况应力强度评定

筒体长圆形开孔结构应力强度分布云图如图5所示。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由图5结果可知，接管距筒体轴向距离L为0 mm时，最大点的应力值最小，为168.68 MPa；L为350 mm时，最大点应力值为187.21 MPa；L为700 mm时，最大点应力值最大，为247.64 MPa。从开孔补强角度，在承受内压的相同的边界条件下，长圆形开孔距筒体的轴线距离越大，对结构的强度影响越大，最大应力点应力值越大。同时，在三种情况下，过应力最大点最短路径的线性化路径应力强度评定结果见表3。

表3 应力强度评定结果

3 外压工况应力分析

3.1 边界条件

设计参数和计算模型见上文1.1节和1.2节。现分别对L=0 mm、350 mm、700 mm的筒体长圆形开孔结构进行加载，外压工况的边界条件见表4。

表4 外压工况边界条件

3.2 特征值屈曲

通过静力学分析自动激活预应力，进行特征值屈曲分析，获得特征值屈曲的一阶屈服临界载荷因子，计算结果见图6。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由特征值屈曲一阶总形变结果可知，接管距筒体轴向距离L分别为0 mm、350 mm、700 mm时，一阶屈服临界载荷因子、结构所能承受的外压临界压力见表5。安全系数取3，则屈曲压力分别为0.416、0.417、0.415 MPa。

表5 特征值屈曲计算结果

对于承受外压筒体长圆形开孔结构来说，开孔接管区域筒体的特征值屈曲一阶形变量明显弱于未开孔区域的对称筒体，开孔接管会对局部筒体起到加强作用。但开孔后，外压筒体还是以周向失稳为主导，长圆形开孔距筒体的轴向距离对结构屈曲影响关系不大。

4 结 语

通过对承压筒体长圆形开孔结构进行应力分析，并对比了在内压和外压工况下接管距筒体轴线的距离对开孔结构的影响，为实际工程提供设计依据。在仅受内压的情况下，长圆形开孔距筒体的轴线距离越大，对结构的强度影响越大，最大应力点应力值越大。而在仅受外压的情况下，长圆形开孔接管会对局部筒体起到加强作用，距离筒体的轴向距离对结构外压屈曲的影响则不太大。

随着国内压力容器行业的发展，通过ANSYS Workbench软件对承压设备的长圆形开孔结构分析提供保障，为压力容器在更多行业应用上的设计开发给出指导意义。