压力容器筒体开孔区域补强设计

杨 洋* 樊 俊

（东方电气股份有限公司核设备设计所）

0 引言

在压力容器设计过程中，一般会采用一些补强措施来降低接管区域的应力集中程度，提高整个压力容器的承载能力。压力容器接管补强分为整体补强和补强圈补强，计算方法主要包括等面积法、压力面积法、分析法和有限元分析法[1-2]。根据已有文献的应力分析结果可知，整体补强、补强圈补强需要相对较大的壁厚，而厚壁将导致设备受到非常大的热应力作用，不利于设备整体结构的稳定[3-5]。

因此，本文在不增加容器壁厚的前提下，提出采用支承板和套环的结构型式进行开孔补强，并利用有限元分析法进行分析和验证，希望为存在温度快速升降工况的压力容器设计提供新的开孔补强方法。

1 开孔补强结构设计

在不增加筒体和接管壁厚的情况下，采用支承板和套环进行开孔补强，结构型式可见图1。支承板与接管轴线平行，沿接管圆周方向间隔角度α布置，且关于结构纵向对称面对称，支承板短边与接管表面交点距离筒体表面为L2，支承板短边与筒体表面交点距离接管表面为L3；套环布置在接管表面，用于约束接管在内压作用下的变形，其左端面距离筒体表面为L1。

图1 支承板和套环补强结构型式

接管区域局部结构的部分几何参数如表1 所示，其中D1为筒体直径，D2为接管直径，T1为筒体壁厚，T2为接管壁厚，T3为支承板厚度，T4为套环壁厚，b1为套环长度，b2为支承板宽度。

表1 结构几何参数 mm

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

接管区域的几何形状和载荷都较为对称，为了简化计算建立局部结构1/4 作为分析模型，考虑支承板数量对补强效果的影响，建立5 个分析模型，分别含有0、1、2、3、4 个支承板。采用单元Solid185 进行网格划分，第1、第5 个分析模型的网格离散情况分别如图2、图3 所示，二者单元数分别为64 989、209 918，节点数分别为187 630、405 444。

图2 接管区域结构离散图（无支承板）

图3 接管区域结构离散图（含4个支承板）

接管区域结构纵向和横向对称面为法向位移约束，筒体端面和接管端面施加相应的轴向平衡面力。轴向平衡面力的计算公式为：

式中：pe——平衡面力；

ps——为壳程压力；

at——为筒体或接管内圆面积；

a0——为筒体端面或接管端面面积。筒体、接管、支承板和套环的材料均为Q235A，该材料常温下的力学性能详见表2。

表2 材料的主要力学性能

2.2 支承板补强效果分析

考虑壳程压力为1、2、3 MPa 这3 种情况，并根据计算结果在最大应力区域取3 条路径进行补强效果分析，路径位置如图4 所示。

图4 路径位置示意

当壳程压力为1 MPa 时，5 个分析模型在筒体与接管连接区域的应力强度分布情况如图5 所示。由图5 可知，无支承板时，最大应力发生在接管内的拐角处，应力强度值达到172.32 MPa；当支承板数量为1个和2 个时，最大应力的位置转移至结构纵向对称面两侧，应力强度持续下降至148、129.5 MPa；当支承板数量为3 个时，补强的角度范围达到30°，承受最大应力的位置转回到接管内的拐角处，应力强度值继续下降至113.09 MPa；当支承板数量增加至4 个时，高应力区域减小并进一步集中于接管内的拐角处，使得应力强度值小幅增加，为113.58 MPa。

图5 结构在不同数量支承板下的应力云图（单位：MPa）

随着壳程压力的增加，应力强度值随支承板数量的变化展现出规律一致性，具体可见图6。由图6可知，支承板的数量应不小于3 个，即补强的角度范围不应小于30°，相对无支承板的情况，结构此时的应力强度值将下降约34.37%。

图6 结构最大应力强度值随支承板数量的变化曲线

各路径在不同壳程压力和支承板数量情况下的应力值可见表3。由表3 可知，支承板数量为3 时补强效果最好，继续增加支承板的意义不大。相对于无支承板的情况，路径1 的薄膜应力下降率约为19.48%，弯曲应力下降率约为72.87%，峰值应力下降率约为75.92%；路径2 的薄膜应力下降率约为16.48%，弯曲应力下降率约为38.17%，峰值应力下降率约为67.48%；路径3 的薄膜应力下降率约为26.89%，弯曲应力下降率约为89.02%，峰值应力下降率约为60.45%。由此可见，支承板的补强效果明显，且主要体现在降低弯曲应力和峰值应力方面。

表3 各路径在不同壳程压力及支承板数量情况下的应力值

在分析模型4 中将L2和L3统一修改为35 mm 或50 mm，考察参数L2和L3对补强效果的影响。在壳程施加1 MPa 压力，结构的应力强度极值和各路径应力值可见表4。由表4 可知，随着支承板逐渐远离筒体与接管的连接点，各项应力值均逐渐升高。由此可见，支承板越靠近筒体与接管的连接点，其补强效果越好。

表4 结构在不同L2、L3值时的应力值

2.3 套环补强效果分析

支承板分析结果表明，当支承板数量达到3 个时，继续增加支承板的意义不大。因此，考虑在分析模型4 中增加套环结构，即在3 个支承板的基础上进一步采用套环进行补强，并分析套环的补强效果。

结构在不同壳程压力情况下的应力强度分布规律可见图7，各项应力值可见表5。在增加套环之后，最大应力位置仍然为接管内的拐角处，最大应力强度值有所降低，降低率约为8.18%。各路径应力总体呈现下降趋势，其中3 条路径的膜应力均下降，下降率分别约为4.27%、6.94%和7.40%；路径1 的弯曲应力和峰值应力上升，分别约为10.5%和29.56；路径2、3 的弯曲应力和峰值应力均下降，下降率在10%左右。

表5 结构在不同壳程压力值时的应力值

图7 结构在不同壳程压力情况下的应力云图（单位：MPa）

由表3 和表5 可知，在3 个支承板和套环的联合补强情况下，接管区域最大应力强度值下降约39.74%，路径1 的薄膜应力下降率约为22.89%，弯曲应力下降率约为70.01%，峰值应力下降率约为68.80%；路径2 的薄膜应力下降率约为22.28%，弯曲应力下降率约为46.39%，峰值应力下降率约为69.99%；路径3 的薄膜应力下降率约为32.28%，弯曲应力下降率约为90.49%，峰值应力下降率约为67.20%。

3 结语

本文在不增加壁厚的前提下，提出了采用支承板和套环进行压力容器的筒体开孔补强的方法，并采用有限元分析法进行分析和验证，得到如下结论：

（1）基于支承板和套环的筒体开孔补强结构型式可有效补强筒体开孔区域强度，降低该区域的应力水平。最大应力区域的膜应力可降低约20%～30%，弯曲应力可降低约40%～90%，峰值应力可降低约70%。

（2）在筒体开孔补强方面，支承板占主导，而套筒可提供有益补充。支承板在结构纵向对称面两侧的补强角度范围应不小于30°，其补强效果主要体现在降低弯曲应力和峰值应力方面。