超高壓容器設(shè)計實例淺析

(惠生工程(中國)有限公司， 上海 201210)

隨著化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、人造水晶、合成金剛石、等靜壓處理、超高靜液壓擠壓、粉末冶金、金屬成型以及地球物理、地質(zhì)力學(xué)研究的發(fā)展，超高壓容器越來越成為十分重要的、不可缺少的工具和各行業(yè)進行學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)品生產(chǎn)和試驗的必備設(shè)備。

為避免鍋爐和壓力容器設(shè)計不慎引起的破壞事故，確保高壓、超高壓容器的安全可靠使用，壓力容器設(shè)計規(guī)范、規(guī)程、制造與檢驗技術(shù)規(guī)定一直在不斷地完善、制訂或修訂[1]。我國于1993-12頒發(fā)了《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程》(試行)[2]，該規(guī)定于2004年修訂為TSG R0002—2016《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程》[3]，并于2016-02-22合并到TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]，GB/T 34019—2017《超高壓容器》[5]緊跟其后于2017-07-12發(fā)布，2018-02-01正式實施，這標(biāo)志著設(shè)計壓力大于或等于100 MPa、設(shè)計溫度在-40～400 ℃的超高壓容器的選材、設(shè)計、制造、檢驗和驗收都有了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計人員提供了理論依據(jù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施在設(shè)計上有了根據(jù)，但標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計實例還沒有發(fā)布，超高壓容器的設(shè)計計算還處在對照標(biāo)準(zhǔn)階段，尤其在某些細節(jié)的處理上，標(biāo)準(zhǔn)并沒有做出詳細的規(guī)定。本文以1個超高壓容器的工程設(shè)計為實例，介紹超高壓容器的計算，供相關(guān)同行做一參考。

1 超高壓容器設(shè)計參數(shù)[6-7]

某工程項目超高壓容器結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。此設(shè)備結(jié)構(gòu)為筒體+螺塞型式，專為在水下20 000 m進行的實驗而設(shè)計。

1.螺塞Ⅰ 2.O型圈Ⅰ 3.轉(zhuǎn)換接頭Ⅰ 4.筒體 5.轉(zhuǎn)換接頭Ⅱ 6.O型圈Ⅱ 7.O型圈Ⅲ 8.螺塞Ⅱ

該設(shè)備材料大部分為鍛件，筒體為整體鍛造結(jié)構(gòu)，因材料原因不能采用焊接結(jié)構(gòu)，只能采用螺紋連接。設(shè)備工作壓力pw=200 MPa，設(shè)計壓力ps=220 MPa，工作溫度tw=1～50 ℃(外表面溫度)，設(shè)計溫度ts=50 ℃(外表面溫度)，工作介質(zhì)為淡水，內(nèi)徑d=300 mm，外徑D=570 mm，標(biāo)準(zhǔn)筒體長度L=1 000 mm，標(biāo)準(zhǔn)有效體積V=706.5 L，腐蝕余量C=1 mm，使用壽命20 a， 循環(huán)次數(shù)3 000次，主要受壓元件材料為35CrNi3MoVR。

2 超高壓容器設(shè)計計算[8]

對超高壓單層厚壁圓筒，按大變形理論根據(jù)爆破壓力來設(shè)計較為合理。但這些公式的運算十分冗繁和復(fù)雜，因而一般工程上大都采用Faupel經(jīng)驗公式。試驗壓力按下式計算：

3 超高壓容器強度校核

依據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和使用工況，選取塑性垮塌、局部過度應(yīng)變以及疲勞失效評定方法對設(shè)備的強度進行校核?？紤]筒體端部及螺塞為螺紋承載，按GB/T 34019—2017《超高壓容器》 附錄D校核筒體端部環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力，參照GB/T 34019—2017《超高壓容器》附錄D對筒體和螺塞的螺紋強度進行強度校核，采用疲勞分析法對螺紋牙進行疲勞評定。

3.1 塑性垮塌失效評定[5，9]

采用爆破壓力法，按材料拉伸試驗數(shù)據(jù)進行計算。當(dāng)圓筒形筒體承受內(nèi)壓力超過屈服強度進入塑性狀態(tài)后，筒體器壁發(fā)生應(yīng)變硬化，可相應(yīng)地提高承載能力，但器壁在獲得硬化效應(yīng)的同時，厚度也相應(yīng)地逐漸減薄。開始時強化作用是主要的，承載能力得到提高。到一定值時，由于變形的加大，器壁減薄的作用增加，承載能力反而略有降低，筒體就在較低載荷下發(fā)生爆破。在整個過程中，出現(xiàn)的最大承載能力稱為極限承載能力。爆破時的內(nèi)壓力為爆破壓力，爆破壓力是在維持較長的時間下達到破壞的最低壓力值。

應(yīng)變硬化的作用和壁厚減薄的影響情況極為復(fù)雜。為了簡化分析，假定體積不變，即器壁斷面保持不變并忽略軸向應(yīng)變。經(jīng)過剖分圓筒形筒體在塑性變形得到充分發(fā)展而即將達到極限壓力時，對其橫截面進行精密測量，結(jié)果表明斷面積幾乎無變化，這證明體積不變的假定是可行的。同時，應(yīng)變測量表明軸向應(yīng)變很小，不及周向應(yīng)變的1%，可以忽略不計。所以，軸向應(yīng)變?yōu)?的假設(shè)也是可行的。爆破壓力pb按下式計算：

爆破安全系數(shù)nb按下式計算：

帶入相關(guān)參數(shù)計算，得nb=3.0>2.2，滿足強度要求，評定通過。

3.2 局部過度應(yīng)變失效評定[10]

3.2.1材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

依據(jù)GB/T 34019—2017《超高壓容器》附錄E繪制35CrNi3MoVR材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖2。

圖2 22 ℃時35CrNi3MoVR材料真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2.2建立有限元模型

經(jīng)計算對比，左側(cè)筒體及密封塞應(yīng)力稍大于右側(cè)筒體及密封塞，因此只針對實例左半側(cè)進行分析。應(yīng)用有限元分析軟件Ansys workbench 14.0，對筒體及密封螺塞建立1/4模型(左側(cè))并進行網(wǎng)格劃分，見圖3。

圖3 容器左側(cè)1/4模型及網(wǎng)格劃分效果圖

3.2.3載荷工況和彈塑性數(shù)值計算

設(shè)計工況下載荷p1=1.42p=1.42×220=312.4 MPa。

在材料屬性中添加真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在所有受內(nèi)壓的筒體及密封塞內(nèi)表面施加塑性垮塌失效壓力載荷(440 MPa)并考慮幾何大變形，數(shù)值求解計算得到的左半側(cè)容器位移收斂解見圖4，當(dāng)量應(yīng)力(Von Mises應(yīng)力)收斂解見圖5。

圖4 左半側(cè)容器位移云圖

圖5 左半側(cè)容器Von Mises應(yīng)力云圖

在彈塑性數(shù)值計算分析時，程序解析提取312.4 MPa(整個加載時長的0.71倍)時的計算結(jié)果作為局部過度應(yīng)變失效彈塑性分析的評定依據(jù)。312.4 MPa下左半側(cè)容器的當(dāng)量塑性應(yīng)變見圖6。

圖6 312.4 MPa下左半側(cè)容器當(dāng)量塑性應(yīng)變

3.2.4應(yīng)變極限計算及合格判定

容器任意部位的三軸應(yīng)變極限為：

式中，εL為三軸應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)變極限；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，σeq為當(dāng)量應(yīng)力，MPa。

容器任意部位的當(dāng)量塑性應(yīng)變εpep均滿足εpep≤εL，評定通過。

3.3 疲勞失效評定

根據(jù)計算，裂紋擴展至臨界裂紋深度ac(73.38 mm)的總循環(huán)次數(shù)Np=13 472，裂紋擴展至ac/4時的總循環(huán)次數(shù)Nc=10 984。因此容器在0～200 MPa下的許用循環(huán)次數(shù)Na=min{Np/2,Nc}=6 736。

表1 循環(huán)計算部分結(jié)果

3.4 筒體端部、筒體螺紋及螺塞螺紋強度校核

按GB/T 34019—2017《超高壓容器》附錄D進行筒體端部、筒體螺紋及螺塞螺紋強度校核，文中不再詳細介紹。

3.5 筒體螺紋及螺塞螺紋疲勞評定

3.5.1載荷工況

根據(jù)設(shè)備的使用情況，有3種工況，即0～40 MPa、0～200 MPa、0～246.4 MPa。

3.5.2彈性數(shù)值計算

利用Ansys workbench 14.0進行彈性分析，模型中考慮筒體螺紋與螺塞螺紋之間的摩擦。0～246.4 MPa工況下的筒體端部第一主應(yīng)力云圖見圖7，螺塞第一主應(yīng)力云圖見圖8。

圖7 0～246.4 MPa下筒體端部第一主應(yīng)力云圖

圖8 0～246.4 MPa下螺塞第一主應(yīng)力云圖

3.5.3確定交變應(yīng)力強度幅

按下式計算主應(yīng)力差Sij：

按下式計算交變應(yīng)力幅Saltij：

Saltij=0.5(Sijmax-Sijmin)

按下式計算主應(yīng)力和Snij：

按下式計算主應(yīng)力和均值Snijm：

Snijm=0.5(Snijmax+Snijmin)

按下式計算當(dāng)量交變應(yīng)力幅Seqij：

最后按下式計算當(dāng)量交變應(yīng)力強度幅：

Seq=max{Seq12,Seq23,Seq31}

由圖7及圖8可以看出，筒體螺紋最大應(yīng)力大于螺塞螺紋最大應(yīng)力，因此只需對筒體螺紋進行疲勞失效評定即可。針對3種壓力工況，分別提取筒體螺紋最大應(yīng)力點主應(yīng)力，計算其當(dāng)量交變應(yīng)力強度幅，結(jié)果如下：①設(shè)備使用壓力為0～140 MPa時，最大應(yīng)力點處σ1=697.4 MPa、σ2=233.0 MPa、σ3=84.7 MPa，當(dāng)量交變應(yīng)力強度幅Seq=348.7 MPa。②設(shè)備使用壓力為0～200 MPa時，最大應(yīng)力點處σ1= 996.3 MPa、σ2=332.8 MPa、σ3=121.0 MPa，當(dāng)量交變應(yīng)力強度幅Seq=544.0 MPa。③設(shè)備使用壓力為0～246.4 MPa時，最大應(yīng)力點處σ1=1 225.5 MPa、σ2=409.4 MPa、σ3=148.8 MPa，當(dāng)量交變應(yīng)力強度幅Seq=602.3 MPa。

根據(jù)GB/T 34019—2017《超高壓容器》，得到3種工況下的允許循環(huán)次數(shù)分別為N1=12 412次、N2=1 550次、N3=1 072次。

取0～140 MPa的預(yù)計循環(huán)次數(shù)為n1，0～200 MPa預(yù)計循環(huán)次數(shù)為n2，0～246.4 MPa預(yù)計循環(huán)次數(shù)n3=3(水壓試驗次數(shù))次，則3種應(yīng)力循環(huán)各自的使用系數(shù)為：

則累計使用系數(shù)應(yīng)滿足下式：

U=U1+U2+U3≤1.0

即設(shè)備循環(huán)次數(shù)應(yīng)滿足下列公式：

4 結(jié)語[12]

文中的超高壓容器設(shè)計計算實例證明，依據(jù)GB/T 34019—2017《超高壓容器》提供的指導(dǎo)能夠完成超高壓容器的設(shè)計計算。但詳細計算過程的落實需要對標(biāo)準(zhǔn)有充分的理解，需要注意部分計算過程是交叉使用的，需要作循環(huán)計算。此外還需要注意，在ASME Ⅷ-3中，斷裂力學(xué)評定是以FAD失效評定圖為前提，而在GB/T 34019—2017《超高壓容器》中只進行了斷裂力學(xué)評定。希望GB/T 34019—2017的計算實例盡快出臺，完善各種計算方法，使得超高壓容器的設(shè)計計算更加合理，以方便廣大壓力容器設(shè)計工作者參考使用。