压力容器筒体大开孔厚壁管补强计算

2022-07-11邵虎跃孙志刚

石油和化工设备 2022年6期

邵虎跃, 孙志刚

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院泰州 225300)

(2.无锡化工装备股份有限公司无锡 214131）

压力容器壳体补强结构型式主要有补强圈补强和整体补强，厚壁管补强是一种常见的大开孔整体补强结构型式。开孔补强计算方法主要有等面积法、压力面积法以及分析法[1～4]。当开孔直径较大，超出等面积法、压力面积法适用范围时，一般可以采用分析法。

分析法属于应力分析设计方法，其应力限制准则是基于塑性极限准则和安定性分析得到的，应力计算方法是基于圆柱壳大开孔接管薄壳理论解[3]。分析法是一种较为先进的开孔补强设计方法，在其适用范围内与非线性有限元分析设计相当，但比有限元法方便高效得多，超出分析法适用范围时才会采用有限元分析设计方法。

某筒体大开孔采用厚壁锻管补强，接管外伸长度不满足分析法的要求，设计时使用SW6采用分析法进行初步计算，计算结果显示结构强度有较大裕量，尽管如此，由于不符合标准要求，所以有必要进行有限元分析设计校核。分析过程中发现一些问题，并进行了分析，相关结论可为压力容器设计人员以及特种设备监检人员提供一定参考。

1 计算参数

设备的操作压力2.01MPa，操作温度220℃，设计压力为2.35MP，设计温度265℃。筒体内径为3550mm，壁厚54mm，材料为S30408。接管颈部尺寸为O.D.1473 mm×22.5mm，长度50mm，补强部分尺寸为O.D.1628mm×100mm，长度178.5mm，过渡段长度87.5mm。S30408在设计温度265摄氏度下的弹性模量为1.781×105MPa，泊松比为0.31，材料许用应力119.6MPa。

2 开孔补强分析法初步计算

采用SW6进行筒体开孔补强校核计算，结果显示等效薄膜应力SⅡ=176.6MPa，许用应力263.12MPa，等效总应力SⅣ=180.6 MPa，许用应力310.96MPa，应力校核结果合格。结论显示不合格，因为分析法要求接管加厚段长度403.5mm以上，实际只有178.5mm，按照要求加长接管加厚段，重新计算，应力值不变，结果显示合格。按照分析法的要求接管加厚段需要明显增加，而应力计算结果显示结构强度裕量较大，因此，可以考虑不加长接管加厚段，改用有限元分析设计进行校核。

3 弹性有限元分析设计

有限元分析软件采用ANSYS[5]。筒体长度6000mm，接管位于中间位置，根据几何结构和载荷的情况，可以采用1/4对称模型，即轴向长度对称取一半，环向对称取一半。在有限元模型中对称面施加对称约束，考虑有限元模型本身的近似性，根据模型刚体位移情况需要在一点上施加相应位移或者在求解器设置中开启弱簧效果。位移约束施加情况如图1所示。

图1 位移约束施加

接管内壁面施加计算压力Pc，接管和筒体端部施加端部封闭效应产生的拉力推力等效压力。等效压力Pe=Pc×Di2/ ( Do2- Di2)×-1，其中Di表示接管或者筒体的内径，Do表示接管或者筒体的外径。筒体端部等效压力为-38.04MPa，接管端部等效压力为-36.71MPa。载荷施加情况如图2所示。

图2 压力载荷施加

有限元分析时需要对网格划分密度进行验算，以保证计算结果有足够的精度，工程上一般要达到5%左右。单元网格划分密度与选择的单元类型有关，结构静力分析常用的单元有二次单元SOLID186和线性SOLID185，一般二次单元的计算精度更高，网格计算结果收敛更快。本文分析中采用的是SOLID185，网格划分结果如图3所示。其中单元的K4项为简化增强应变，经过比较，计算结果与相同网格密度下SOLID186计算结果相差不到1%，可以认为计算精度满足要求。

图3 模型网格划分施加

开孔接管应力分析结果如图4所示，最大应力强度点位于筒体纵向对称面上接管内角圆弧上，为409.77MPa。根据分析设计应力线性化路径选取原则，设置图5中ABC三条路径。路径ABC应力线性化结果得到的局部薄膜应力SⅡ依次为232.7MPa、275.2MPa、160.9MPa，薄膜加弯曲应力SⅣ依次为307.3MPa、407.4MPa、222.7MPa。与SW6分析法算得结果差距明显，SⅡ和SⅣ最大值分别为SW6计算结果的156%和225%。

图4 应力强度云图

图5 应力线性化路径

考虑接管长度的影响[6]，把接管加厚段长度增加到分析法要求的最短长度403.5mm，重新计算，路径ABC应力线性化结果得到的局部薄膜应力SⅡ依次为191.75MPa、226.9MPa、158.1MPa，薄膜加弯曲应力SⅣ依次为236.1MPa、313.1MPa、211.2MPa。与SW6分析法算得结果仍有明显差别， SⅡ和SⅣ最大值分别为SW6计算结果的128%和173%。

可见接管长度变化对开孔接管应力有明显影响，根据文献[6]的研究，把接管加厚段长度增加到2倍接管外径，3256mm，再次计算，路径A、B、C应力线性化结果得到的局部薄膜应力SⅡ依次为151.19MPa、168.3MPa、131.49MPa，薄膜加弯曲应力SⅣ依次为185.87MPa、218.4MPa、158.06MPa。SⅡ和SⅣ最大值分别为SW6计算结果的95.%和121%，与分析法算得结果较为接近，可见分析法要求的最短接管外伸长度偏短。

分析法的要求接管加厚段长度与为接管外伸长度有关，如果接管壁厚为48mm，接管加厚段长度只需要271mm，分析法算得的等效薄膜应力SⅡ=260.6MPa，等效总应力SⅣ= 302.97 MPa，强度裕量1%。有限元分析得到的等效薄膜应力和等效总应力最大值均位于路径B上，SⅡ=365.54MPa，SⅣ= 508.67 MPa，分别是分析法结果的140.3%和167.9%，分析法的应力计算结果相比有限元分析结果明显偏小。

4 极限载荷分析

虽然有限元分析算得的等效薄膜应力和等效总应力明显大于分析法的计算结果，但按照分析法的应力限制准则，等效薄膜应力只是略大于许用值。按照分析设计标准的要求一次加二次应力应采用操作压力计算，采用弹性叠加法进行分析，原始设计的薄膜加弯曲应力可以校核通过的。即按照JB4732通用应力限制准则，主要是局部薄膜应力超标。由于弹性分析方法局部应力限制准则存在经验性，可以采用极限载荷分析代替弹性分析设计中对一次应力校核。

极限载荷分析是基于弹性小变形假设，采用弹性理想塑性材料本构模型，Mises函数和关联流动法则，材料屈服强度取1.5倍材料许用应力179.4MPa。这里应当注意屈服强度取1.5倍材料许用应力，而非材料屈服强度，主要是综合考虑基于屈服强度和最终抗拉强度的设计裕度[7～9]。

极限载荷分析实施方法有2种，一种是施加足够到的载荷，算得结构的极限载荷，另一种是采用载荷阻力系数法校核结构能否在1.5倍设计载荷下极限分析达到收敛。在有限元分析时后者在效率上有优势，比较适合工程设计，但是不能确定结构的最大允许载荷，本文采用前一种。

计算载荷取2倍设计压力，接管和筒体端部等效压力相应调整。极限载荷分析收敛的最大压力为3.704587MPa，取1.5倍安全系数，结构最大允许压力为2.4697MPa，大于设计压力2.35MPa，原设计满足设计要求。最大允许压力是设计压力的1.051倍，裕量并不大。

原始结构有限元分析得到的SⅡ最大值为275.2MPa，SⅡ允许值为263.12MPa，超出允许值4.6%。可见分析法对局部薄膜应力限制准则较为合理。主要问题在于分析法要求的接管外伸长度最小值偏小。考虑到计算精度问题，建议分析法计算大开孔厚壁开孔补强计算时SⅡ按1.5倍设计温度下材料许用应力进行评定，或者采用极限载荷分析代替弹性分析中对一次应力的校核，弹性分析校核一次加二次应力。