陳 琦 李可為 張清華 石 瑞 李少華 蔣文春
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)
隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展,壓力容器大開孔結(jié)構(gòu)越來越普遍。但開孔后由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞,開孔和接管部位成為壓力容器的薄弱區(qū)域。薛明德等致力于研究大開孔結(jié)構(gòu),并制定了一套合理的壓力容器大開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案[1]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,分析設(shè)計(jì)法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中得到越來越多的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]對(duì)內(nèi)壓容器大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了分析,針對(duì)目前補(bǔ)強(qiáng)方法的不足和局限性,提出了采用三維有限元數(shù)值法分析大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)問題,并給出了具體的實(shí)施方案。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)比、分析有限元應(yīng)力分析法和壓力面積法,最后得出與壓力面積法相比,有限元應(yīng)力分析法更合理、安全且可靠的結(jié)論。
筆者采用有限元法對(duì)乙二醇蒸發(fā)器大開孔結(jié)構(gòu)和補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核,并通過改變內(nèi)壓計(jì)算出該筒體所能承受的極限載荷。
某乙二醇蒸發(fā)器(圖1)的筒體內(nèi)徑為800mm、厚10mm。根據(jù)工藝要求,需在筒體上開一個(gè)內(nèi)徑為700mm的孔,接管厚度為8mm。但根據(jù)GB 150-2011[4]的規(guī)定,此圓筒最大開孔直徑不能超過520mm,因此需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,補(bǔ)強(qiáng)圈寬200mm、厚10mm。
圖1 乙二醇蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
筒體所盛介質(zhì)為易燃介質(zhì)乙二醇,設(shè)計(jì)溫度為230℃。筒體最高工作壓力為0.1MPa,設(shè)計(jì)壓力為0.2MPa。筒體主要受壓元件材料為0Cr18Ni9。在設(shè)計(jì)溫度下,廠方提供的0Cr18Ni9材料的力學(xué)參數(shù)有:彈性模量為189GPa,泊松比為0.295,許用應(yīng)力Sm=122MPa。
由于該結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布,因此只需建1/2的三維模型來進(jìn)行整體模型的受力分析。用有限元軟件ABAQUS軟件建立乙二醇蒸發(fā)器三維模型,其網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖2 乙二醇蒸發(fā)器的1/2三維模型及其網(wǎng)格劃分
根據(jù)計(jì)算要求,以內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力0.2MPa為載荷進(jìn)行計(jì)算。筒體內(nèi)表面施加0.2MPa的壓應(yīng)力時(shí),根據(jù)力的平衡原理,右側(cè)截面施加的拉應(yīng)力為3.95MPa,上端面施加的應(yīng)力為4.32MPa。
2.1應(yīng)力評(píng)定與分析
圖3為乙二醇蒸發(fā)器mises應(yīng)力分布云圖,從圖3可以看出:筒體與筒體連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù),產(chǎn)生了較高的應(yīng)力集中;最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在兩筒體的連接處,其值為112.2MPa。
圖3 乙二醇蒸發(fā)器應(yīng)力分布云圖
根據(jù)JB/T 4732-1995[5]對(duì)筒體與筒體連接部位進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核。應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則為:一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5Sm;一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb≤1.5Sm。一次總體薄膜應(yīng)力評(píng)定均合格,最大值為34.6MPa。
在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處(即應(yīng)力最大處)沿厚度方向取路徑P1進(jìn)行應(yīng)力線性化。由應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)可知:一次局部薄膜應(yīng)力PL=42.1495MPa<1.5Sm=183MPa,符合強(qiáng)度要求;一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb=48.0MPa<1.5Sm=183MPa,符合強(qiáng)度要求。
2.2受不同內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力評(píng)定與校核
在保證其他參數(shù)不變的情況下,通過改變內(nèi)壓計(jì)算該筒體所能承受的極限載荷。將內(nèi)壓從0.2MPa增至0.7MPa,研究應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的變化規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行線性擬合(圖4)。由圖4求出滿足強(qiáng)度要求的極限載荷為0.77MPa。
圖4 應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的變化規(guī)律
3.1內(nèi)壓為0.2MPa時(shí),一次局部薄膜應(yīng)力為42.1MPa,一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力為48.0MPa,均滿足強(qiáng)度要求。
3.2通過改變內(nèi)壓計(jì)算得到滿足強(qiáng)度要求的極限載荷為0.77MPa。
[1] 薛明德,李東風(fēng),黃克智. 支管外力矩作用下帶徑向接管的圓柱殼的局部應(yīng)力分析[J]. 壓力容器,2004,21(1): 18~23,33.
[2] 張紅才. 壓力容器大開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].石油化工設(shè)備,2005,34(3): 24~26.
[3] 黃克敏,楊翀. 內(nèi)壓容器大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)分析方法的探討[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2002,24(1): 33~34.
[4] GB 150-2011,鋼制壓力容器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.
[5] JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京: 新華出版社,1995.