分享一篇论文：《压力容器非径向斜接管开孔补强探讨》

[摘要]压力容器由于工艺需求，需要设置非径向倾斜接管，使用常规设计软件无法计算。运用ANSYS有限元分析软件对压力容器筒体上的非径向倾斜接管结构进行应力分析，对接管与设备连接区应力线性化处理，获得了压力容器接管连接区应力分布，结果表明筒体上非径向倾斜接管开孔补强合格。

[关键词]有限元；非径向；倾斜接管；开孔补强图

1几何模型

压力容器广泛应用于石油、化工、医药、核电等领域，在反应、分离、储存、换热等过程发挥巨大作用。某核电项目设计的压力容器设备，因工艺需求卧式设备本体需倾斜，而接管需与外部管道连接，且接管为铅锤方向非径向接管，因此接管相对设备筒体中心轴线并非垂直，而是成80°夹角。这种倾斜非径向接管不但削弱了压力容器设备本体的强度，更在设备接管连接区附近产生严重的应力集中现象，同时接管和器壁构成了不连续结构，在一定范围内引起附加边缘应力，对压力容器的承载能力产生很大影响。对于非径向倾斜接管结构，使用常规设计软件无法计算[1]，本文以该设备为例，采用有限元分析方法对压力容器承受非径向倾斜接管的接管连接区域的应力分布进行研究。1模型建立与网格划分某项目中一台压力容器，设备筒体内径为Φmm，筒体壁厚16mm，选取QR材料。筒体接管外径Φmm，厚壁接管壁厚为28mm，选取16Mn锻件材料，偏心距为mm，且接管与设备中心轴线成80°夹角，接管为插入式接管无内伸，设备的几何模型如图1所示。对筒体接管结构进行建模，有限元模型采用solid单元，整体网格模型如图2所示，网格主体为六面体网格，少量为楔形网格，将模型切分成多个块进行网格划分，在筒体与接管相贯区域，由于该区域结构不连续，应力分布情况较为复杂，故做加密网格处理，通过控制网格的尺寸，设置局部单元的大小，增大网格的密度，以得到更高的计算精度。

2施加载荷及边界条件

（1）对设备内表面施加设计压力载荷P=2.3MPa；设计温度为℃（2）忽略液柱静压力影响，为防止筒体发生轴向位移，在筒体轴线方向一端施加固定约束。（3）在筒体轴线方向另一端施加等效的轴向载荷[2]。

3结果与讨论

3.1开孔接管区应力分析

经应力分析计算得到开孔接管区应力分布云图如图3所示。云图表明筒体上的连续性被破坏，在不连续区域存在明显的应力集中现象，应力集中具有一定的局部性，在远离开孔区域应力值趋于一致。本文中模型没有考虑焊接接头形式及焊脚尺寸。与一般的非径向直接管开孔不同的是最大应力发生的位置，非径向倾斜接管的最大应力并非沿着接管的对称截面，而是位于接管与筒体连接内边缘与截面（与筒体水平中心轴线成约45°）相交处，图4为危险截面处应力分布云图，最大应力值为.71MPa。

3.2应力线性化

3.2.1定义线性化路径对模型进行应力线性化处理，首先通过显示应力强度云图高应力区域，在结构不连续的部位选取内外壁两个节点，路径贯穿壁厚，共选取六条应力图5应力线性化路径3.2.2线性化结果应力线性化基于材料力学和板壳理论，将计算应力分布曲线根据静力等效原理进行线性化处理，将应力分为与合力等效的沿截面厚度均匀分布的薄膜应力和与合力矩等效的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。通过分段数值积分，将计算结果映射到线性化路径上。(a)path1应力线性化曲线各路径应力线性化曲线结果如图6(a)~图6(f)所示，图中黑色曲线为薄膜应力曲线，红色曲线为弯曲应力曲线，蓝色曲线为薄膜+弯曲应力曲线。从图中可以看出，薄膜应力沿壁厚方向均匀分布，弯曲应力沿路径方向先减小后增大，可以看出弯曲应力为线性分布；薄膜+弯曲应力总体呈增大趋势，但六个路径的应力值均未超过允许值。从应力线性化曲线图中可以看出path1所选路径的应力水平最高，一次局部薄膜应力值为.86MPa；一次薄膜+二次弯曲应力值为.63MPa。3.2.3应力评定分析设计中采用“弹塑性失效”准则，根据应力是否有自限性、应力的作用、在容器的分布、产生方式等分为一次应力、二次应力和峰值应力等[3]。通过应力分量的组合和应力强度的许用极限来评定，对一次应力的限制，是为了防止过度的弹性变形导致结构破坏；对一次应力加二次应力进行限制，是为了防止塑性变形导致破坏。应力评定按表1所示，分别从一次局部薄膜应力强度和一次薄膜加二次弯曲对应力进行评价，其中设备接管结构仅承受设计压力及等效应力，并无风载荷及地震载荷，故载荷组合系数按K=1选取，从表1中可以看出应力线性化路径中一次局部薄膜应力强度的计算值小于许用极限要求；一次薄膜应力+二次弯曲应力强度小于许用极限值要求，故该筒体上非径向倾斜接管满足强度要求，接管开孔补强合格。

4结论

（1）经过对压力容器筒体上的非径向倾斜接管结构应力分析，获得了压力容器接管连接区应力分布，计算结果表明筒体上非径向倾斜接管开孔补强合格。（2）本文中非径向倾斜接管的最大应力并非沿着接管的对称截面，而是位于接管与筒体连接内边缘与截面（与筒体水平中心轴线成约45°）相交处。

参考文献

[1]GB.3-，压力容器第三部分设计[S].

[2]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，.

[3]JB/T-，钢制压力容器—分析设计标准（年确认）[S].

作者：赵彬彬刘运来张焱汪垠王斯嫄单位：中核能源科技有限公司

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长按

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