压力容器筒体切向接管强度计算研究

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摘要:压力容器筒体设置切向接管，会破坏原有的应力分布，在结构不连续区域产生高应力，对设备运行造成危险。本文先对切向接管强度计算方法进行讨论，再利用ANSYSWORKBENCH软件对筒体切向接管进行强度计算和应力线性化处理，为今后的工程设计提供一定的指导意义。

关键词:切向接管;强度计算;应力线性化;应力集中

压力容器设备在石油化工、核工业和军工中具有重要的地位和作用。为了满足工艺流程和检维修的需要，需在设备上开一定数量的孔。在开孔接管处，设备连续性和整体性遭到破坏，由于应力集中，形成了复杂的应力状态，严重削弱了设备的承载能力，若不进行安全可靠的设计，会对设备的安全运行造成隐患。国内外对接管的强度计算进行了大量研究，形成了较为成熟的理论基础和计算方法。但切向接管因为其结构的不规则性和不对称性，较小的接管都有可能形成大开孔结构。目前国内的设计规范对切向接管强度计算规定都不够详细和具体，压力面积法、等面积法、极限压力法等方法对切向接管的计算都存在一定的局限性，曲文海、郝兰忠等人［1－2］依据现有常规计算方法进行改进，提出了自己的设计方法，但计算模型假设太多，结果不够精确，国外只有原西德的锅炉规范(TRD)中有切向接管强度计算方法，结果过于保守。随着有限元技术的发展，切向接管的强度计算问题得到了很好地解决。本文将简单对比以上几种计算方法，采用有限元法对切向接管区域进行应力分析，并按JB/T4732－1995的规定进行应力分析和强度评定，为切向开孔接管的工程设计提供一定的借鉴意义。

1切向接管开孔补强计算方法的对比

1．1等面积法

等面积法是以补偿开孔局部截面强度拉伸作为补强准则的，只涉及静力强度问题，其对开孔边缘二次应力的安定性问题是通过限制开孔长短径之比(不大于2．0)和开孔率决定的［3］。通常，切向接管在圆筒体处的开孔长短径之比远超过2.0，因此不能应用于切向接管的强度计算。并且对于需要疲劳分析的设备，等面积法也不适用。

1．2压力面积法

压力面积法与等面积法都是基于静力平衡，即以开孔有效强度范围内的金属截面积(包括壳体、补强材料、接管等)的承载能力与内压力载荷相平衡为准则的计算方法，不考虑弯曲应力的影响，但适用范围和壳体的有效补强宽度和等面积法存在差别，也不能适用于疲劳分析设备。另外特别需要说明，在我国，压力面积法尚不能作为合法的设计依据。

1．3极限载荷分析法

极限载荷法采用的是塑性失效模式，假定材料为理想弹塑性，随着载荷的的线性增加，最初材料呈线弹性变形，直到载荷增大到某一数值时，材料呈现屈服流动状态并不断扩展。此时的载荷即为极限载荷。极限载荷法考虑了应力集中和结构不连续，分析结果比较符合实际的情况［4］，但国内相关标准尚未给出该方法合法的设计流程，更多的是把该方法用来校核应力线性化的一次应力强度评定［5］。

1．4有限元分析设计法

利用三维软件对设备切向接管建模，分析求解模型的精确应力分布，考虑弯曲应力和峰值应力的影响，基于JB/T4732－1995第三强度理论进行强度评定，按照应力的性质、影响范围及分布状况就行应力分类，对不同类型的应力给予不同的限制条件，并在制造检验中规定特定要求。该方法适用范围广，局限性小，适用于疲劳分析设备，结果准确可靠，目前已被国内外工程界广泛认可。对于常规设计方法不能适用的切向接管强度计算，有限元分析设计法可以很好的解决。

2切向接管的开孔有限元分析设计

2．1接管结构与设计参数

高压排放罐筒体DN2200×18mm，两个切向接管尺寸分别为DN150锻管(外径194mm，内径146mm)和DN100锻管(外径145mm，内径97mm)，设备设计压力为2MPa，设计温度为200～－45℃，筒体材料为09MnNiDR，锻管材料为09MnNiDIII，根据标准，在设计温度下，材料的弹性模量E=1．96×106MPa，泊松比μ=0．3，密度7850kg/m3，设计应力强度Sm=150MPa。本设备在同一高度上设置两个切向接管，很多文献研究中［6］将每个接管各自建模，虽然两接管距离超过了应力衰减范围，单独建模分析对结果影响不大，但考虑到模型的完整性和避免多次建模，本文将两接管联合建模，保证计算结果更符合实际情况。

2．2计算模型

经过绘图软件放样，设备两接管开孔处的长短径比均超过2．0，因此不能用常规的等面积法进行强度计算。现利用有限元分析法计算，保证计算模型的准确性，模型中接管和壳体的均应大于应力衰减长度，根据结构的对称性特征，建立1/2三维模型，在本例中筒体长度长度选取1000mm，切向接管按实际长度建模，建模厚度扣去了材料负偏差和腐蚀裕量。如图1所示。

2．3网格划分

由于结构高度不连续，合理切割计算模型从而获得高质量的网格，利用ANSYSWORKBENCH提供的20节点二次单元Solid186单元［7－8］，将接管与筒体连接处易产生集中应力处的网格加密，主体筒体沿壁厚方向划分4等分。局部网格模型图如图2所示。a．DN100接管局部网格图;b．DN150接管局部网格。

2．4边界条件

在模型的对称面施加对称约束，筒体端部施加位移约束，保证模型不会发生刚性移动。模型所有内表面施加设计压力2MPa，接管端部和筒体端部分别施加相应的等效轴向拉应力。

2．5计算结果分析

应力分布云图如图3所示。从图中可以发现，切向接管与筒体连接处的内外壁面处都存在较大的应力，出现了明显的应力集中现象，DN150接管最大应力强度为219．05MPa，DN100接管最大应力强度为229．18MPa。两接管的最大应力点均位于接管与筒体连接处的锐角面外边缘，即接管至筒体厚度最大衰减区。远离结构开孔处，其应力值变化不大，为总体薄膜应力。图3结构应力强度分布云应根据JB/T4732－1995设置多条应力线性化路径，为了节约篇幅本文只介绍最危险的应力路径。该路径通过最大应力值点并沿着壁厚方向进行应力线性化，具体路径如图4所示。

2．6强度评定

按JB/T4732－1995相关要求进行应力强度评定。对于DN100锻管，一次局部薄膜应力PL=94．014MPa，按照标准一次局部薄膜应力许用极限为1．5Sm=225MPa，满足要求;薄膜加弯曲应力应力强度为163．27MPa，由于此处的弯曲应力包含了一次应力和二次应力的成分，较难区分，为了保守设计，均作为一次弯曲应力，因此PL+Pb=163．27＜1．5Sm=225MPa，满足要求。对于DN150锻管，PL=86．809MPa＜1．5Sm，PL+Pb=175.08＜1．5Sm=225MPa，也满足要求。其他危险应力路径核算后也符合强度要求，因篇幅有限不做累述。由上述分析可知，计算条件下的开孔结构能满足JB/T4732－1995应力线性化要求，开孔结构强度安全。

3结论及展望

通过上文的分析，可得到以下结论:(1)很多工艺工程中，必须设置切向接管，公称直径很小的接管都有可能造成长短径比大于2．0，现有的常规方法无法适用，可通过ANSYSWORKBENCH软件进行应力分析，计算模型接近实际情况，计算结果精确可靠。(2)本模型的两个切向接管最大应力均出现在接管与筒体结构突变处，特别是接管与设备相交锐角处(具体参照图4路径处)，此处结构不连续且模型厚度突变梯度较大，此外，接管与筒体相交处的内壁面圆角处应力值也比较大，这些区域均易产生应力集中现象，而远离结构不连续出的区域应力变化平缓，计算结果符合相关理论。(3)采用应力分析设计的设备在设计需满足相应的焊接结构，制造过程中的无损检测要求也比常规设计的设备要求严苛［9］。为了保证设备的安全运行，相关方应该严格执行相应要求。(4)现在工程设计中，很多设备都需要疲劳分析，常规设计同样不适用。若有需要，可在本文所述的强度设计的基础上，依据JB/T4732－1995附录C中［10］的疲劳分析步骤依次进行，从而保证设备及装置在生产过程中的安全。

参考文献

［1］曲文海．圆筒形压力容器上切向接管开孔补强计算［J］．化工设备设计，1993，5(1):16－19．

［2］仲跻华，郝兰忠．浅谈筒体切向接管开孔补强常规设计［J］．化工设备设计，1993，6(2):16－19．

［3］李世玉．压力容器设计工程师培训教程［M］．北京:新华出版社，2005．

［4］潘武．关于容器大开孔斜接管计算方法的讨论［J］．山东化工，2019，48(11):59－61．

［5］万里平，黄勇力．弹性极限载荷分析法在圆筒接管开孔强度分析上的应用［J］，石油化工设备技术，2014，35(2):11－13．

［6］左安达，张文杰，郭晓岚．基于子模型技术的压力容器切向接管应力分析［J］．化工设备与管道，2017，54(2):1－7．

［7］杨星辰，张雅琴，段成红．压力容器应力分析单元选择的探讨［J］．化工设备与管道，2016，53(1):1－6．

［8］常平江，李霁，秦书经．单元选择对有限元分析结果的影响［J］．化工设备与管道，2015，52(3):7－13．

［9］全国锅炉压力容器标准化技术委员会．压力容器:GB150－2011［S］．北京:中国标准出版社，2012．

［10］全国压力容器标准化技术委员会．钢制压力容器分析设计:JB/T4732－1995［S］．北京:学苑出版社，2005．

作者：应超 单位：中石化宁波工程有限公司