關于容器大開孔斜接管計算方法的討論

潘 武

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

在化工壓力容器中，為了滿足工藝與結構的要求，往往需要在設備上開孔并安裝接管。這將使筒體連續(xù)性造到破壞，且器壁強度受到削弱，并在筒體和接管的連接區(qū)域形成較復雜的應力狀態(tài)，是設備安全操作的隱患之一。

高壓聚乙烯聚合物分離器、填料塔卸料孔等，要求在筒形殼體上設備軸向斜接管。這類接管與常見的正交垂直型式不同，接管區(qū)域的應力分布更為復雜。各國壓力容器標準中有關斜接管方面的規(guī)定不多。有學者對此進行了理論和實驗研究[1-3]。

根據JB/T 4732的規(guī)定，容器開孔后由于內壓引起的一次局部薄膜應力；由于變形協(xié)調產生的彎曲應力為二次應力；因應力集中而引起的峰值應力。這三種應力對容器破壞與加載方式密切相關，因此在開孔補強設計中，應對它們區(qū)別對待，并選取適當的補強方法。

目前，常用的開孔補強計算方法主要有，等面積法、壓力面積法和極限壓力法，但對于大開孔斜接管結構，這幾種常用的方法各有其局限性。采用有限元法對開孔接管區(qū)域進行應力分析，按分析設計方法進行強度評定是一種較為簡便和準確的方法。

1 開孔補強計算方法的對比

常用的開孔補強設計方法包括等面積法、壓力面積法、極限壓力法及有限元法等。

1.1 等面積法

等面積法是以受拉伸的無限大平板開小孔為理論基礎的。即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應力，且補強殼體的一次平均應力作為補強準則。當開孔率較小時，開孔邊緣的局部應力是以薄膜性質的應力為主的，因此較符合上述假設。但隨著殼體開孔直徑增大，開孔邊緣不僅存在很大的薄膜應力，而且產生很高的彎曲應力。還有此方法未計及開孔處應力集中的影響，也未計入容器直徑變化的影響[4]。因此，為減少實際應力集中系數與理論分析結果之間的差異，對于等面積法的適用，在開孔的尺寸和形狀上都有一些限制，如GB/T 150規(guī)定：當筒體直徑Di≥1500 mm時，開孔最大直徑dop≤Di/3，且 dop≤1000 mm。

1.2 壓力面積法

壓力面積法，以受壓面積和承載截面的力平衡為基礎的方法，即壓力在受壓面積上形成的總力與有效補強范圍中的殼體、接管、補強材料的面積所具有承載能力相平衡。但壓力面積法僅考慮開孔邊緣一次總體及局部薄膜應力的靜力要求，沒有考慮彎曲應力的影響，本質上與等面積法相同。

1.3 極限壓力法

極限壓力法采用的是塑性失效準則， 假設材料特性為彈性-理想塑性，即無應變硬化，結構在相當多的部分發(fā)生屈服前不產生大量的變形，且不考慮殘余應力對結構的影響。當加載時，最初材料呈彈性變形,隨著載荷繼續(xù)增加，將在某處產生屈服，當載荷進一步增加時,屈服區(qū)便不斷擴展直至在恒定載荷作用下產生流動，此時載荷為極限載荷。而極限載荷一般可以根據實驗研究、塑性相關理論以及有限元方法來得出[6]。據此原則允許開孔附近應力集中區(qū)有較高的許用值，即使開孔附近的局部最大應力作用面沿整個壁厚方向發(fā)生屈服，不會導致容器失效[7]。

極限壓力法與等面積法是根據靜力強度理論來分析的補強方法。極限壓力法是以殼體模型為基礎，且依極限載荷進行分析。而等面積法以受拉伸開孔大平板為計算模型，且依整個殼體截面的平均應力進行計算；極限壓力法的分析結果比較符合實際的開孔情況，計算較為準確。

1.4 有限元法

常規(guī)設計往往基于簡化公式和經驗系數來完成，而應力分析設計是基于對所分析結構的實際應力分布情況來完成。所以對于工程上一復雜的結構件，只要知道其結構特征并給出合理的邊界條件，就能通過現代計算方法或者實驗手段來準備描述出實際工程問題以及其應力分布情況。但需要指出的是，分析設計的計算相對復雜，選材、制造與檢驗要求從嚴，在綜合經濟性上并不是總是合理的。

對于壓力容器大開孔斜接管的補強問題，等面積法、壓力面積法等常規(guī)方法已無法完全適用，借助有限元分析手段，并運用JB/T 4732的分析設計方法進行強度評定，是目前比較行之有效的方法。

2 大開孔斜接管的有限元分析

作為一種應力分析數值方法，有限元法在化工設備強度設計中已得到了廣泛的應用。借助ANSYS等有限元軟件對開孔容器進行應力分析，能夠得到危險截面上每一個節(jié)點應力值，包括六個應力分量。不過，若要按照JB/T 4732采用第三強度理論進行強度評定，還需要按應力的性質、影響范圍及分布狀況進行應力分類，對不同類型的應力給予不同的限制條件。

有限元分析的步驟主要包括：模型建立，網絡劃分，邊界條件的設定，求解，后處理。

2.1 計算條件

2.2 計算模型

根據結構的對稱性，取實際結構的1/2建立三維有限元模型，如圖1、2所示。采用ANSYS提供的8節(jié)點6面體單元SOLID45劃分實體。為了能夠在應力狀態(tài)復雜的筒體與接管連接區(qū)域得到較好的網絡質量，在建模過程中對模型進行了分割。接管與筒體的相貫區(qū)，以及整個模型的網格劃分，如圖3、4所示。

圖1 結構尺寸

圖2 有限元模型

網格劃分后就可以進行位移邊界條件和力邊界條件的設定。在模型的對稱面上施加對稱約束，在筒體的兩個端面上分別施加位移約束、由內壓產生的軸向均布載荷，在接管的外端面施加位移約束，并在筒體和接管的內表面，以及包括接管內端面在內的筒體內伸段表面施加內壓。

文中采用ANSYS參數化設計語言(APDL)進行定義材料特性、建模、網格劃分及加載求解，實現有限元分析全過程的參數化，可以避免繁瑣的GUI操作，提高效率。

圖3 相貫區(qū)網格劃分

圖4 模型網格劃分

2.3 計算結果及線性化處理

求解完成后，查看如圖5所示的結構應力分布云圖可以發(fā)現：在內壓載荷的作用下，筒體與斜接管連接的焊縫附近存在著明顯的應力集中，最大應力點發(fā)生在接管與殼體相貫部位的銳角區(qū)域，應力強度(Stress intensity)為244.2 MPa，銳角區(qū)和鈍角區(qū)的內壁應力水平要高于外壁，且沿壁厚方向衰減，如圖6所示。因此，對于容器斜接管，縱向對稱面的連接處是危險區(qū)域，尤其是銳角側應力集中最嚴重，如圖5(b)所示。

圖5 應力分布云圖

ANSYS有限元計算后初步得到的只是每個節(jié)點的應力值，還需進一步計算各類應力以便進行強度評定。進一步的后處理，可以采用的方法包括點處理法、線處理法和面處理法。

針對結構的特點，文中采用線處理法：在危險截面上將各應力分量沿一條應力處理線進行均勻化和當量處理。經均勻化處理的平均應力屬于薄膜應力；經當量線性化處理的，線性部分應力屬于彎曲應力，非線性部分屬于峰值應力[8]。線性化處理路徑，如圖6所示。路徑始于接管內壁上應力強度最大點，沿著壁厚應力強度衰減最快的方向，終于接管外壁。

圖6 線性化處理路徑

表1 線性化處理結果

指定路徑后ANSYS能夠自動進行線性化處理，線性化結果如表1所示。表中，SX、SY、SZ、SXY、SYZ、SXZ為六個應力分量，S1、S2、S3代表三個主應力，SINT表示第三強度理論的應力強度，SEQV則對應于第四強度理論。

2.4 強度評定

計算條件中設定壓力波動不超過設計壓力的20%，因而無需進行疲勞壽命校核。在設計條件下，由JB/T 4732表6-2查得Q345R 的設計應力強度Sm為196 MPa。據此，評定準則為：一次局部薄膜應力：SII≤ 1.5 Sm=294 MPa；一次應力加二次應力：SIV≤3Sm=588 MPa。

表2 應力評定

由表2可以發(fā)現，計算條件下的開孔結構能夠滿足JB/T 4732規(guī)定的強度要求，開孔結構是安全的，可以不進行補強。

3 總結

借助ANSYS有限元軟件，采用APDL參數化設計語言對大開孔斜接管結構進行應力分析，獲得了結構較為詳細的應力分布情況，確定了結構的危險截面，并沿應力衰減方向對計算結果進行線性化處理，得到了各類應力值，并依照JB/T 4732對結構進行了強度評定。為以后類似的工程設計積累經驗。