夹套容器封口锥强度计算与分析

欧金藩

（湖南化工设计院有限公司，湖南长沙 410007）

夹套容器是石油、化工、医药等行业中非常常见和典型的设备。夹套的主要结构型式有整体夹套、半圆管夹套、型钢夹套以及蜂窝夹套等[1]。整体夹套又分为U 型夹套和圆筒型夹套，U 型夹套以其结构简单、制造方便的优点，在工程实际应用中得到了广泛的应用。我国现行有关标准中对夹套封口锥只有结构设计的相关规定，没有专门针对夹套封口锥的强度计算说明，且由于封口锥过渡段转角半径尺寸无法满足GB/T 150.3—2011中折边锥形封头大端过渡段转角半径的要求（r≥10%DiL且≥3δr），也就不能按GB/T 150.3—2011中锥壳强度计算方法进行计算。在设计工作中，工程设计人员常常忽略了夹套封口锥的强度计算，直接取与夹套筒体相同的壁厚，但夹套封口锥和夹套筒体是两种结构不同的元件，在相同载荷下，两种结构的应力值是不一样的，因此封口锥直接取夹套筒体的壁厚是不合理的。本文对两种夹套结构（U型夹套及加强圈把夹套分成上下两部分的夹套）的封口锥采用有限元应力分析法进行计算和分析。

1 夹套容器设计参数及结构尺寸

夹套容器的设计参数见表1，结构及尺寸如图1所示。本文分析两种夹套结构：第一种，U 型夹套，此为常见结构；第二种，为了满足工艺要求，在整体夹套中间加个隔离圈，把夹套分为上下两部分，此隔离圈可以作为内筒体受外压载荷时的加强圈。

图1 夹套结构及尺寸

表1 夹套容器设计参数

2 有限元分析计算

2.1 计算模型

由于夹套容器为轴对称结构，故把三维实体转化为二维轴对称模型，考虑结构不连续对应力分布的影响范围，模型中所取内筒体长度和夹套筒体长度均大于边缘应力衰减长度内筒体、夹套筒体壁厚分别取有效厚度21.7mm、8.7mm，加强圈材料为S31 608，厚度为20mm。模型网格划分采用四边形，如图2所示。

图2 模型网格划分

2.2 载荷和位移边界条件

计算模型载荷只考虑设计压力，内筒体上端横截面施加轴向位移为零的约束，夹套筒体下端横截面施加夹套内压对应的等效平衡载荷p1，p1按下式计算确定：

其中pj,Dj,δj分别为夹套压力、夹套筒体内径以及夹套筒体有效壁厚。

2.3 计算结果

第一种结构的计算结果如图3所示，最大应力值为595.62MPa，位于封口锥过渡段内表面；远离结构不连续处的夹套筒体总体薄膜应力为95MPa。

图3 第一种结构应力强度云图

第二种结构的计算结果如图4所示，最大应力值为270.48MPa，位于下部分夹套筒体与加强圈连接处内表面；远离结构不连续处的夹套筒体总体薄膜应力为95MPa。

图4 第二种结构应力强度云图

3 应力线性化及强度评定[2]

应力分类及强度评定参照JB 4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》。应力线性化的路径选取原则为：对分析部位沿厚度最小方向取路径。

3.1 应力线性化

第一种结构的高应力区为封口锥过渡段区以及封口锥与内筒体连接区，线性化路径如图5所示。

图5 第一种结构高应力区域线性化路径

第二种结构的高应力区为封口锥过渡段区、封口锥与内筒体连接区、加强圈与夹套下部分筒体连接区以及加强圈与内筒体连接区，线性化路径如图6所示。

图6 第二种结构高应力区域线性化路径

3.2 强度评定

两种结构各路径上的应力分类和强度评定分别见表2和表3。第一种结构在夹套封口锥与内筒体连接处的SⅣ（一次局部薄膜应力加二次弯曲应力强度，单位MPa）大于3Sm（许用值），已经不满足强度要求；封口锥过渡段的SⅣ也已经接近3Sm。而在此压力载荷条件下的夹套筒体总体薄膜应力为95MPa，还远小于其许用值（Sm=186.6MPa）。所以封口锥的厚度直径按夹套筒体厚度取是不合理的。第二种结构由于有加强圈把夹套分成上下两部分，上部分夹套筒体的轴向应力减小，所以封口锥的各类应力都比第一种结构中封口锥的各类应力有明显的减小。

表2 第一种结构各路径上的强度评定

表3 第二种结构各路径上的强度评定

其中：Sm-材料在设计温度下的许用应力，单位MPa；

SⅡ-一次局部薄膜应力强度，单位MPa；

SⅣ-一次局部薄膜应力加二次弯曲应力强度，单位MPa。

4 结论

本文依托实际设计项目中的某一反应釜（其夹套结构为第二种，即有加强圈），采用有限元应力分析法，对两种不同结构夹套的封口锥的应力强度进行了计算和分析，得出结论如下：

1）由第一种夹套结构（U 型夹套）计算结果可知，当夹套筒体总体薄膜应力远小于材质在设计温度下的许用应力时，封口锥处SⅣ（一次局部薄膜应力加二次弯曲应力强度）大于3Sm（许用值），已经不满足强度要求；所以封口锥的计算厚度大于夹套筒体的计算厚度，在设计中封口锥的厚度不能直接取夹套筒体厚度，需要另行做强度计算。

2）比较两种夹套结构的计算结果可知，加强圈明显降低了封口锥的应力强度，第二种结构封口锥区域各类应力和加强圈区域的各类应力小于对应的许用值，满足应力强度要求；因此，对于U 型夹套，在没有工艺需要将夹套分为上下两部分的条件下，在强度设计时同样可以考虑增加加强圈，然后在加强圈上开适量的孔保持夹套上下两部分的连通。