基于ANSYS对压力容器筒体连续大开孔强度分析

2021-11-02李文斌

中国金属通报 2021年10期

李文斌

（中冶长天国际工程有限责任公司，湖南长沙 410000）

在压力容器的设计中，筒体的连续大开孔会导致筒壁结构的连续性被破坏，使其开口部位产生局部的应力集中，且由于大开孔的连续性，致使局部应力集中加大，所以必须考虑开孔补强问题。本文对比了有补强和无补强圈结构下的应力状况，并采用ANSYS有限元分析软件[1-4]对连续大开孔部位进行了详细的应力分析与评定.

1 分析模型

1.1 模型设计描述

分析模型总长7800 mm，内径为3000 mm，中间的筒体壁厚为22 mm，两端封头为椭圆形封头。在此模型筒体上开尺寸较大且连续的3个圆形孔，中间接管内径为1200 mm，接管壁厚为22 mm，高350 mm，两侧接管内径为1400 mm，壁厚为22 mm，高350 mm，中间接管与两侧接管的距离为1800 mm。

表1 压力容器主要设计参数

1.2 载荷和边界条件

该压力容器的工作压力取0.5 MPa，中间接管施加均布拉力6.7 MPa，两侧接管施加均布拉力7.8 MPa。筒体下端施加固定约束。筒体两侧施加拉力16.9 MPa。

2 分析计算

2.1 材料参数

压力容器筒体及接管所用材料的弹性模量与泊松比见表2.

表2 材料参数

2.2 应力分析结果

压力容器Von-Mises应力强度分布云图见图1。通过图1可知，在两侧的接管与筒体相交内表面且靠近封头处（图1b）存在最大应力值，大小为164.89 MPa。从图1可以看出，在筒体连续大开孔部位，具有应力集中，应力沿筒体迅速衰减，且筒体三个大开孔间的应力相互影响较小。

图1 带补强圈的内外表面应力云图

3 强度分析

3.1 强度评定

在对应力强度进行评定时，大致分为点处理法，线处理法及面处理法[7]。本文对压力容器开孔部位应力的评定采用线处理法。

在圆孔接管的危险部位（图1（b）），即外接管与筒体相交内表面且靠近封头处具有应力集中且具有最大应力，鉴此，运用线处理法（如图2），得到结果见表3和图3。

图3 A-A处理线上应力强度分析

表3 有补强圈A-A截面应力评定结果

图3 评定线简图

3.2 强度评估

由表3得到局部一次薄膜应力S=101.88 Mpa，其强度评定极限为1. 5Sm=169.5 MPa，显然S＜1. 5Sm。压力容器一次加二次应力强度为S=162.47 MPa，其评定强度极限3Sm= 339 MPa，显然S＜3Sm。通过分析该强度评定结果安全。

4 分析讨论

4.1 无补强结构

为了对比压力容器无补强和有补强的区别，本文进一步对无补强的压力容器筒体做了有限元分析计算，Von-Mises应力云图见4。可知无补强圈筒体最大应力值位于沿筒体轴线方向且靠近封头的内表面，最大应力值为252.35 MPa。有无补强的应力云图比较见表4。

表4 材料性能参数

对无补强结构选择存在最大应力值的圆形接管部位（见图4），线性化处理结果见表5。

图4 不带补强圈有限元计算受力云图

表5 无补强圈危险截面应力分量及评定结果

由表5可知，补强前后远离筒体的应力值较小，但去除补强圈后，圆形接管与筒体相交处的最大应力强度值由164.89 MPa上升至252.35 MPa，应力集中迅速增大。由表6可知，无补强筒体的线性评定结果局部薄膜应力，而此部位的强度评定极限为1. 5Sm= 169.5 MPa。显然，压力容器圆形开孔接管处进行补强能有效的降低开孔部位的应力集中。