半圆管夹套容器有限元分析

盖超会,郑晓敏,王成刚,周宁波,肖 健

(1．武汉软件工程职业学院机械制造工程系，湖北 武汉 430205；2．武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

作为夹套容器的一种，同整体夹套容器相比，半圆管夹套有如下优点：结构简单、节约材料、承压范围大、传热效率高及经济适用等.由于半圆管夹套的优越性，在工业生产中应用越来越广，为了使用安全，各国制定了该类容器的强度设计规范.主要包括：美国ASMEⅧ-1-2004《压力容器建造规则》[2]；日本JISB8279-1993《压力容器夹套(说明)》[3]；德国AD2000-2004《受压容器及部件设计规范》[4]；欧盟En13445-2002《非直接受火压力容器》[5]；前苏联标准ΓOCT25867-83《夹套容器强度设计规范》[6]等.我国HG 20582-1998《钢制化工容器强度计算规定》[7]中有关半圆管夹套容器的设计参照了美国ASMEⅧ-1中所列的设计方法，其适用于带有半圆管夹套的圆筒或球形、蝶形、椭圆形封头设计.

1 半圆管夹套容器应力分析方法

文献[7]中对半圆管夹套设计规定：容器圆筒和封头部分的名义厚度和有效厚度，按照不带半圆管夹套时的同一容器，根据计算压力为内压或外压，依据GB150-1998《钢制压力容器》[8]的相关章节确定，内圆筒轴向或封头经向总应力σ包含由半圆管夹套内压力p′引起的圆筒壁轴向弯曲应力和由容器内计算压力pc在器壁上所引起的轴向薄膜应力.可按如下公式校核：

式中，K为系数，可根据半圆管外径、内筒壳体厚度及壳体内径由相应图表查得；p′为半圆管夹套许用压力，MPa；pc为壳体计算压力，MPa；R为圆筒或封头球面部分内半径，mm；t为圆筒或封头有效厚度，mm；[σ]t为圆筒或封头材料在设计温度下的许用应力，MPa.但文献[7]限定采用外径为60 mm、89 mm、114 mm三种尺寸的无缝钢管半圆管夹套应力计算表，而本课题研究夹套外径不在HG 20582-1998以上三种规定之列，属于非标准半圆管夹套.且总应力σ未将反应器筒体与封头连接区域不连续应力包含其中，具有一定局限性.为了设计和使用安全,本文采用有限元法进行应力分析，并按照JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》进行应力评定[9].

2 半圆管夹套工艺参数

2.1 结构尺寸及工艺参数

某化工机械厂设计制造的半圆管夹套的反应器结构如图1所示，筒体实际使用厚度为16 mm.反应器筒体盛装介质为混合物料，半圆管夹套内介质为蒸汽.筒体设计压力为1.3 MPa，夹套设计压力为1.3 MPa，设计温度均为200 ℃.

图1 半圆管夹套的反应器结构图

2.2 材料性能参数

半圆管夹套材料为304钢，筒体和封头材料为16 Mn.304钢在设计温度下的屈服强度σs=144 MPa，抗拉强度σb=406 MPa，许用应力[σ]=130 MPa，弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3.材料16 Mn在设计温度下的屈服强度σs=255 MPa，抗拉强度σb=490 MPa，许用应力[σ]=159 MPa，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3.

3 有限元分析

3.1 实体模型的建立

图2 半圆管夹套的几何模型

3.2 网格划分

首先定义单元类型和材料属性，采用ANSYS软件提供的PLANE82单元，并设定轴对称选项.由于几何结构的不规则性，而为了得到更精确的结果，可先设定部分边的划分份数，再进行网格划分.网格划分后共生成4 679个单元，15 735个节点.其网格划分如图3所示.

图3 半圆管夹套反应器网格划分图

3.3 载荷施加及边界条件

由应力分析可知，内圆筒轴向或封头经向总应力由容器内计算压力pc在器壁上所引起的轴向薄膜应力和半圆管夹套内压力p′引起的圆筒壁轴向弯曲应力二者构成.设反应器筒体内侧受压力p1=1.3 MPa，外侧受半圆管压力p2=1.3 MPa时对半圆管夹套模型进行应力分析.

邢岫烟在“懦小姐”迎春处寄居，当然也免不了被刁奴为难。更可气的是，那可怜巴巴的二两月银还被邢夫人要求分给父母一半。

边界条件：在反应器筒体的横截面上施加UY方向的轴向位移约束，在模型对称面上施加对称约束.轴向当量位移计算方法如下：

uy=εy×l=0.115 mm

3.4 与文献HG 20582-1998结果对比

验证应力分析计算模型正确与否所采用的方法为：将半圆管夹套直径改为60 mm结构形式进行应力分析，再将模拟结果与文献HG 20582-1998应力校核公式计算结果进行对比.校核公式计算结果如下：

用ANSYS应力分析结果σmax=66.5 MPa.最大误差小于1％，可证明计算模型的可靠性和准确性.

4 结果分析和强度校核

通过ANSYS提供的通用后处理求解器POST1求解结果，得到Von Mises等效应力分布云图并得出最大危险截面，如图4所示.

图4 半圆管反应器的等效应力图

由图4可见，最大应力分布在封头与靠近筒体相连接的内壁处，且最大应力值达到142.55 MPa，封头与筒体连接边缘处最大应力远大于直筒体部位应力.由应力评定思想，在沿封头内壁方向路径1-1与沿封头厚度方向路径2-2，并分别对路径1-1和路径2-2进行应力分类和应力强度评定，如图4所示.根据应力分类的定义，路径1-1和2-2处应力类型主要为一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb和二次应力Q.对路径上的应力强度用ANSYS软件自带的线性化处理模块沿路径1-1和路径2-2进行应力线性化处理，可得到三个路径上的薄膜应力、弯曲应力和二次应力等.

按照文献[9]，利用应力分类和应力分析法来校核危险截面最大的应力强度.由于研究对象是关于具有良好塑性的钢制容器的静载荷问题，故可不必考虑可能导致疲劳裂纹或脆性断裂的峰值应力.由JB4732-1995可知，应力强度校核应分别满足下列条件：(1)一次局部薄膜应力(PL)强度SⅡ的许用极限应小于等于1.5KSm.(2)一次薄膜应力加一次弯曲应力(PL+Pb)强度SⅢ的许用极限应小于等于1.5KSm.(3)一次加二次应力(PL+Pb+Q)强度SⅣ的许用极限应小于等于3KSm.其中Sm为16 Mn在设计温度下的许用应力，查表知200 ℃时Sm=159 MPa，取载荷系数K=1，则1.5KSm=238.5 MPa，3Sm=477 MPa.

沿路径1-1线性化处理结果如表1所示.一次局部薄膜应力PL=135.2 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力PL+Pb=137.0 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力强度加二次应力PL+Pb+Q=137.6 MPa<477 MPa,故满足强度要求，即评定结果通过.

表1 沿路径1-1线性化分布结果

表1中σ1、σ2、σ3分别为三个主应力，三个切应力与主应力相比是一个小量，可忽略不计.数值为正说明受拉应力、为负说明受压应力.

沿路径2-2线性化处理结果如表2所示.其中一次局部薄膜应力PL=95.61 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力PL+Pb=141.6 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力强度加二次应力PL+Pb+Q=142.6 MPa<477 MPa,故满足强度要求，即评定结果通过.

表2 沿路径2-2线性化分布结果

5 结 语

在正常工况下对非标准半圆管夹套容器进行了有限元应力分析，得到结论如下：

a.在正常工况下对半圆管夹套容器进行有限元应力分析，知最大应力分布在封头与靠近筒体相连接的内壁处.

b.将危险截面处应力分布进行线性化处理，并按照JB4732-1995进行应力评定，可得在正常工况下夹套容器是安全的.

c.筒体使用厚度可由16 mm减小到12 mm，这样既经济又合理.

参考文献：

[1]陈晓宁，魏光亮，杜念忠，等.搅拌反应釜冷却装置-半管夹套的设计与制作[J].聚氯乙烯，2006,7(7):31-33.

[2]ASMEⅧ-1-2004,《压力容器建造规则》[S].

[3]JISB8279-1993，《压力容器夹套(说明)》[S].

[4]AD2000-2004，《受压容器及部件设计规范》[S].

[5]En13445-2002，《非直接受火压力容器》[S].

[6]ΓOCT25867-83，《夹套容器强度设计规范》[S].

[7]HG 20582-1998，《钢制化工容器强度计算规定》[S].

[8]GB150-1998，《钢制压力容器》[S].

[9]JB4732-1995，《钢制压力容器-分析设计标准》[S].

[10]肖瑶，郑贤中，周宁波.卫星天线锅盖冲压成形模拟与优化[J].武汉工程大学学报，2011，33(9)：96-100.

[11]何家胜，谢飞，朱晓明，等.圆柱壳内曲面椭圆裂纹应力强度因子数值计算[J].武汉工程大学学报，2011，33(11)：70-73.