压力容器管口应力分析.pdf

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LUN WEN GUANG CHAI
数月量中压力容器管口应力分析
可少的设备。如海上平台在主工艺
系统、燃料气系统、柴油系统、化
学药剂系统、闭式排放系统、开式威晓宁石磊曹永
排放系统、工厂风及仪表风系统、(海洋石油工程股份有限公司天津300451)
含油污水处理系统、消防水系统等
都厂泛应用了压力容器川。在压力【摘要」本文以某压力容器为例,分别运用常规设计方法和有限元分析
容器设计中,由于操作或结构的要设计方法对开孔接管区上外载荷对容器管口应力分布的影响进行了分析
求,容器上的开孔是不可避免的。发现管线外载荷对營ロ应力影响明显,不可忽视;满足常规设计的管ロ
在一般工作载荷下,由于安全系数足够大,强度仍能满足要求;对环境
1压力容器管口应力分析的条件恶劣、波动较大的エ作載荷下的管口,有限元分析设计是必要的。
必要性
【关键词】压力容器管线载荷管ロ应力有限元分析
压力容器开孔接管区域的应
由于几何形状及尺寸的突变,o=PD28,Pa,其中P为设计压
力状况非常复杂,这是因为开孔破受内压壳体与接管连接处附近的力,Pa,D为筒体直径,m,8为筒
坏了壳体材料的连续性,削弱了原局部范围内会产生较高的不连续体壁厚,m
有的承载面积。另外,在开孔边缘应力。对这类应力的求解相当复
附近必定造成应力集中,接管的存杂。工程上常采用应力集中系数2.2经验公式
在使开孔接管区域成为总体结构不法、经验公式、数值解法和试验测
大量的试验研究、数值计算和
连绫区域,売体与接管在内压的作试等方法计算局部应力?
理论分析表明,受内斥壳体与接管
用下自由变形不ー致,在变形协调
连接处的应力集中系数K一般可
过程中将产生边缘应力。
2.1应力集中系数法
表示为三个无因次参量的网数。这
同时,接管与壳体是通过焊
在计算壳体与接管连接处的三个无因次参数是:接管中面直径
缝连接在一起的,焊缝的结构尺最大应力时,常采用应力集中系d与売体中面直径D之比MD,接管
寸如焊缝高度、过渡圆角等会形数法。受内压壳体与接管连接处厚度t与売体厚度T之比和売体
成局部结构不连续,形成局部不的最大弹性应カσ。、与该売体不中面直径D与其厚度T之比DI。以
连续应力。在筒体上造成局部高
下为经验公式:
应力,从而严重影响筒体的承载开孔时的环向薄膜应力σ。之比称
Rodabaugh公式
能力,该部位很有可能成为设备为应力集中系数K,即
的破坏源。因此,对开孔接管部位
K,=2.8(
0.382
作详细的应力分析是确保压力容
K E O max
器安全运行必不可少的内容。
该式考虑了接管与圆柱売过
2压力容器管口局部应力计)、;2、~某位置的最大正
式中
渡处外圆角半径r的影响,已被
ASMF规范第Ⅱ篇NB-3683.8所采
算方法
o。一筒体环向薄膜应力,、用,适用范围为DT<100,0.09≤
tT≤4.3,0.5作者简介
无要求
戚晓宁(1986-)助理工程师,从事海洋石油平台橇装设备设计工作。2.3数值计算
2009.08百油刊但工设113
广场
的无限自由度问题变成有限自由4压力容器管口应力有限元
度问题,再利用整体分析求出未计算
知量。円前有 ANSYS、 ABAQUS等
批大型通用有限元软件。
4.1 ANSYS简介
ANSYS软件是机被制造、能
3压力容器管口应力常规源、汽车交通、国防军工、电子、
计算
土木工程等一般工业和科学结构
流体、电磁、声学于一体的大
3.1容器参数描述
型通用有限元分析软件,可广泛
某圧力容器筒体内径应用于核工业、铁道、石油化工
D=1500mm,壁厚t=8m,简体长航空航天的研究。在压力容器行
图1几何模型
度为5000mm,接管外径d=89mm,业, ANSYS占据了国内95%以上的
壁厚为8m,接管的内伸为omm,市场份额,成为压力容器分析设
外伸为130mm。其设计压力为计的事实上的标准。尤其是在1995
0.45MPa,设计温度为250℃,年,全国锅炉力容器标准化技
操作温度为150℃-200℃C。接管开术委员会发布了JB4732-1995钢制
口位于筒体上,为径向开口,图1压力容器分析设计标准》51后,
为容器开口处的几何模型。
ANSYS有限元的应用更是上了
个台阶。
3.2管口常规设计
压力容器的设计通常按照4.2有限元模型的建立
CB150-19981,来分析容器管口周
(1)模型的建立与网格划分
围的应力分布,从而作出是否需
根据筒径向开孔结构形状、
图2网格划分后的有限元模型要补强的结论。本文先利用“钢制受载条件和约東状况的对称性,
表1材料属性
压力容器设计计算软件包-SwW6”沿圆筒体的纵向剖面建立1/2三维
对开孔部位的应力进行计算,该实体有限元模型,根据圣维南原
软件适用于静设备。
理,筒体的长度取为1000mm,接管
材料名
Q345R
20#
将上述基本参数输入到计算位于筒体的中间部位,外伸长度
屈服强度
345
(MP
245「软件Sw6中,可以很容易得到结为130m,采用通常使用的有限元
单性模暈
果,筒体上的最大应力值为单元为4节点的壳体单元
2×10°2×10
130MPa,并且通过等面积法我们(SHEL63)进行建模,网格刘分时
L泊松比「0。3「0.8可以判断此接管处的安全性。
我们给予每个单元格的长度为
义A为壳体多余金属面积,A2为0.02m,并且赋予壳单元的厚度
应力数值计算的方法很多,如接管多余金属面积,A,为补强区为8mm,模型结构和网格划分如图
差分法、变分法、有限单元法和边内的焊缝面积、A为开孔削弱所需2所示。
界元法等。但目前使用最广泛的是的补强面积。
(2)定义材料属性
有限单元法。有限单元法的基本思
软件中结果显示:A,=[86mm
将表1所列的材料机械性能数
路是将连绫体离散为有限个单元的A,=138mmr2,A,=64m2,A=219.6mr2。据赋予软件的材料属性
组合体,以单元节点的参量为基本因为A,+A,+A,>A。即开孔处的最4.3载荷和边界条件施加
未知量,单元内的相应参量用单元大应力值在筒体板材Q345R的许
如图3所示:管线两边与设备
节点上的数值插值,将一个连续体用应力值的范同之内,符合要求。管口相连,中间具有若千个管线
14」石油化工设」2000