開孔接管補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)效果和適用性研究

彭培英，郭彥書，劉慶剛

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

壓力容器的可靠性對(duì)于化工類企業(yè)的安全具有十分重要的意義，一直以來都是這個(gè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1-2]，而開孔補(bǔ)強(qiáng)方式和效果對(duì)于壓力容器運(yùn)行可靠性影響很大[3-5]。

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許采用應(yīng)力分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別強(qiáng)調(diào)了可以采用可靠的數(shù)值方法來進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)[6-7]。由于補(bǔ)強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以采用經(jīng)典的彈性力學(xué)理論進(jìn)行分析，有限元方法的發(fā)展為解決這一問題提供了契機(jī)[8-9]，采用有限元方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)效果和適用性的研究具備了成熟的條件。

本文采用基于有限元分析的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)和GB 150—2011[10]規(guī)定的“等面積法”分別對(duì)內(nèi)徑1 000 mm的圓筒形容器，開孔范圍在100～500 mm范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)效果和應(yīng)用條件具有一定的意義。

1 分析模型

本文分析了內(nèi)徑為1 000 mm的圓筒壓力容器開孔問題，并采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。筒體和接管材料均選用Q345R，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 150—2011，得到設(shè)計(jì)溫度下Q345R的許用應(yīng)力Sm，在厚度為6～16 mm時(shí)，許用應(yīng)力Sm=189 MPa；厚度為16～36 mm時(shí)，Sm=185 MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，筒體厚度按公式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

(1)

式中：δ為計(jì)算厚度，本文中筒體壁厚直接取計(jì)算厚度，mm；pc為計(jì)算壓力，MPa；Di為圓筒內(nèi)徑，mm；φ為焊接接頭系數(shù)，本文中焊接接頭系數(shù)取1；Sm為材料許用應(yīng)力，MPa。

表1 壓力容器壁厚Tab.1 Thickness of the cylinders

設(shè)k表示開孔直徑與筒體直徑的比值，開孔直徑記為d，則k=d/Di。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)Di≤1 000mm時(shí)，d≤520。為了分析不同開孔條件下，補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)效果，本文采用了k=0.1～0.5之間5組開孔尺寸進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 接管尺寸Tab.2 Geometry sizes of the nozzles

2 等面積法分析

采用GB 150—2011規(guī)定的等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4736—2002補(bǔ)強(qiáng)圈[11]選擇補(bǔ)強(qiáng)圈，其結(jié)果如表3所示。

表3中，B為補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，A3為另需補(bǔ)強(qiáng)面積，δ′為補(bǔ)強(qiáng)圈計(jì)算厚度,D1為補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑,D2為補(bǔ)強(qiáng)圈外徑,δe為補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度。

3 有限元分析

采用有限元分析軟件ANSYS按照表1—表3有關(guān)尺寸建立模型。模型中筒體的長度至少要大于開孔尺寸的5倍以上才能夠保證開孔區(qū)域的應(yīng)力分布狀況不受邊界處約束的影響。

分析中，在筒體一個(gè)端面施加固定約束，筒體和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓，如圖1所示。

求解計(jì)算得到應(yīng)力分析結(jié)果如圖2所示。圖2中采用的應(yīng)力為等效應(yīng)力(Equivalent Stress)，即按照第4強(qiáng)度理論進(jìn)行安全判定。由于制造壓力容器的材料限定只能采用韌性材料，因此采用第4強(qiáng)度理論進(jìn)行安全判定較為適合。

表3 補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸Tab.3 Sizes of the reinforcement pads

圖1 內(nèi)加載荷示意圖Fig.1 Schematic of the loadings in the nozzles

圖2 等效應(yīng)力云圖Fig.2 Equivalent stresses of the nozzles

圖3 應(yīng)力評(píng)定路徑示意圖Fig.3 Schematic of the paths for stress assessment

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和接管應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，建立如圖3兩條路徑進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

圖3中，Path1為壓力容器開孔接管應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中通常采用的路徑，而Path2是GB150—2011推薦采用的分析路徑，本文分別按照兩條路徑進(jìn)行分析，可以保證分析結(jié)果具有較高的可信性。

根據(jù)JB/T4732—1995[12]規(guī)定，接管部位的薄膜應(yīng)力屬于局部薄膜應(yīng)力SII，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力SIV，壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求SII≤1.5Sm，SIV≤3Sm。

對(duì)表1—表3中的各組數(shù)據(jù)建立模型，施加載荷并進(jìn)行分析，按照Path1和Path2進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，分析結(jié)果見表4所示。

表4 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果Tab.4 Results of the stress assessment

表4中，安全裕度a按照式(2)計(jì)算。

(2)

由表4應(yīng)力評(píng)定結(jié)果可以看出，對(duì)于Path1來說，當(dāng)壓力較小時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)具有很大的安全裕度，但當(dāng)壓力較大時(shí)，按照等面積法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)無法滿足安全的要求；對(duì)于Path2來說，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果都滿足強(qiáng)度的要求，但在對(duì)于壓力較高時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的裕度較小。

對(duì)比Path1和Path2分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，Path1偏于保守，鑒于中國標(biāo)準(zhǔn)推薦采用Path2來進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，可以認(rèn)為在本文分析的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足安全要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)這一常見的補(bǔ)強(qiáng)形式，分別采用有限元法和等面積法進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，得到的主要結(jié)論如下。

1)Path1的計(jì)算結(jié)果偏于保守，Path2的結(jié)果更為接近實(shí)際情況。

2)根據(jù)對(duì)Path2的分析結(jié)果，當(dāng)壓力較低時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈存在較大的安全裕度，說明基于等面積補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力較小時(shí)存在一定的保守性；但當(dāng)壓力較大時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果存在10%～20%的安全裕度，對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)來說較為理想。

3)根據(jù)Path2的分析結(jié)果，當(dāng)壓力在6 MPa時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的安全裕度為10%～20%，可以認(rèn)為補(bǔ)強(qiáng)圈的適用條件為小于6 MPa。

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