低温罐主要部件应力计算及泄漏分析

张远新，於潜军，张佳雄

(1.中国化学工程第六建设有限公司，湖北 襄阳 441000；2.湖南中伟智能制造有限公司，湖南 长沙 410138)

随着科学技术的进步，石化设备向大型化发展，接管口径也越来越大，这对石化设备的设计制造提出了更高的要求；伴随电算化的进步，对异形接管法兰[1]的应力计算由以前的粗略方法正在向精细方法转变；常规计算由于忽视了接管在特定工况下的强度以及刚度条件，已无法适应大型石化设备异形法兰接管的制造要求，而应力分析设计方法在解决此类问题的计算上就尽可能地将各类工况考虑得更全面，于是能更好地服务于设计及制造。本文即是通过在有限元分析软件ANSYS18.0中对该低温罐的长圆形法兰强度、刚度及耳座强度进行了分析计算后，再做详尽的应力分析和强度评定，最后得出安全可行的结论，并提出合理的建议。文中所提及的材料参数均来自GB/T 150.1～150.4—2011《压力容器》[2]。

1 有限单元法原理[3]

有限单元法是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法。当采用位移法时，弹性体的有限单元法[1]可用下面的公式表示：

[K]·[δ]=[F]

(1)

式(1)中：[F]为节点载荷矩阵；[δ]为节点位移列阵；[K]为结构总刚矩阵。

2 有限元应力分析

2.1 设备及接管简图

低温罐长度为6 725 mm，筒体直径(ID)为4 800 mm×32 mm，低温罐结构见图1；长圆形法兰长度为2 810 mm，长边方向长度为2 000 mm，螺栓孔及螺栓均匀分布，长圆形法兰结构见图2；耳座位置见图1中部云线位置，其详细结构见图3。

图1 低温罐结构

图2 长圆形法兰结构

2.2 设计参数

低温罐设计参数见表1。该设备的制造材料应遵循GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢钢板及钢带》标准的不锈钢S30408材料，其许用应力Sm为122.6 MPa，弹性模量为1.912 5×105MPa，泊松比为0.3。

2.3 几何建模及网格划分

根据设备结构与载荷及约束对称性特点，本报告采用四分之一模型进行应力分析。创建实体模型见图4。

图4 低温罐实体模型

图2所示的计算简图由筒体、封头、长圆形法兰、耳座组成，其中，长圆形法兰为重点考虑对象之一。结合该模型的几何结构及工况下载荷，建立包括长圆形法兰、筒体、封头、耳座在内的三维实体模型。建模时，其有效厚度均已扣除腐蚀裕量，且已考虑板材的厚度负偏差。采用先建立厚度面，再将面绕轴中心线旋转360°的方式得到实体模型，再建立长圆形法兰和耳座，通过布尔运算后，删除多余的部分，即得到三维实体模型(见图4)。网格划分过程中，采用solid185实体单元(8节点)对三维模型进行映射划分，且厚度方向线上确保有4段，方可保证厚度方向上有4层网格单元，保证了网格的质量，为后续计算结果的精确度提供保障。网格模型经过上述网格划分后共有224 334个单元、2 812 927个节点，有限元网格模型见图5～7。

图5 低温罐网格模型

图6 耳座网格模型

图7 长圆形法兰网格模型

2.4 施加位移边界条件和力学边界条件2.4.1 位移边界条件

根据设备结构与载荷及约束对称性特点，本报告采用四分之一模型进行应力分析，设备在正常操作工况下，耳座底板全约束，两对称面施加对称约束。施加约束后的模型见图8。

图8 施加对称约束

2.4.2力学边界条件

在设计工况下，设备承受均布内压，长圆形接管端面施加平衡载荷，法兰螺栓面承受螺栓载荷以及考虑设备自重、介质重量和机具的重力载荷，施加载荷后的力学模型见图9。

图9 施加重力荷载及螺栓荷载

2.5 计算结果及应力评定

在对计算后的结果文件进行后处理后，在软件中可查看到设计工况下整体结构的Tresca应力云图。该云图显示SMX为359.234 MPa，超过材料的许用应力值137 MPa；需要做应力评定。整体结构的Tresca应力云图见图10；通过在应力最大位置点进行厚度方向的应力评定(见图11)。

图10 整体结构Tresca应力云图

图11 封头Tresca应力云图及路径SCL1

2.6 强度评定

应力强度评定依据标准为JB4732《钢制压力容器——分析设计规范》(2005确认)，主应力差：S12=σ1-σ2；S23=σ2-σ3；S31=σ3-σ1；应力强度：S=max{|S12|，|S23|，|S31|}，一次总体薄膜应力强度极限为KSm，一次局部薄膜应力强度极限为1.5KSm，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5KSm，一次应力强度加二次应力强度极限为2.6Sm，Sm为许用应力强度。K为载荷系数，本设计工况下取K=1.0。

2.6.1封头

由封头Tresca应力云图可知，封头的等效当量应力最大值位于封头与筒体连接处，最大当量应力值为207.818 MPa，应力评定路径见图10，路径SCL1应力线性化结果分析见表2。

表2 路径SCL1评定结果

2.6.2筒体

由筒体Tresca应力云图12可知，筒体的等效当量应力最大值位于筒体与长圆形接管圆弧段连接处，最大当量应力值为359.234 MPa，应力评定路径SCL2应力线性化结果分析见表3。

图12 筒体Tresca应力云图及路径SCL2

表3 路径SCL2评定结果

2.6.3耳座

由耳座Tresca应力云图13可知，耳座的等效当量应力最大值位于耳座底板与筋板不连续处，最大当量应力值为183.184 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×137=205.5，强度条件SⅡ<1.5φSm，SⅣ<2.6Sm自动满足。

图13 耳座Tresca应力云图

2.6.4长圆形接管

由长圆形接管Tresca应力云图14可知，长圆形接管的等效当量应力最大值位于长圆形接管圆弧段内侧处，最大当量应力值为347.045 MPa，应力评定路径SCL3应力线性化结果分析见表4。

图14 长圆形接管Tresca应力云图及路径SCL3

表4 路径SCL3评定结果

2.6.5长圆形法兰

由长圆形法兰Tresca应力云图15可知，长圆形法兰的等效当量应力最大值位于长圆形法兰与筋板连接处，最大当量应力值为157.118 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×122.6=183.9，强度条件SⅡ<1.5φSm，SⅣ<2.6Sm自动满足。

图15 长圆形法兰Tresca应力云图

综上所述，在设计工况下，低温罐筒体、封头、耳座、长圆形接管及法兰的强度评定合格。

3.3 设计工况法兰刚度分析

本文对长圆形法兰进行刚度分析，采用限制密封面泄漏路径的偏转角不大于0.6°进行。根据低温罐长圆形法兰结构特点，选取5条典型密封面泄漏路径，各路径组成节点编号，节点在结构变形前的坐标值以及节点在结构变形后产生的UX位移见表5。

由表5可知，所选取5条典型密封面泄漏路径，其偏转角均在0.6°限定值范围内，满足法兰密封要求。综上所述，低温罐设备在设计工况下，长圆形法兰刚度评定合格。

表5 泄露路径偏转角评定结果

3 结语

该低温罐的筒体、封头、长圆形法兰、耳座在设计工况下经过应力分析及强度评定后，可知强度是安全的，满足JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》(2005年确认)[5]的要求。该设备的此次应力分析和强度评定结果得到了多方认可，故按照设计图纸安装制造，且已在使用期间平稳安全运行，由此可见，应力分析模拟仿真设计方法在大型石化设备的设计制造中具有实际应用价值，有助于石化装备往更大型化、更安全、更经济的方向发展。建议在今后的设计中将有限元计算方法与应力分析模拟仿真设计方法结合用于处理含有异形接管及法兰的计算之中。