压力容器开孔接管区的应力强度评定

秦富友，杜四宏

（1．河南省化工压力容器检测中心站，河南 郑州 450000;2．中国核电工程有限公司郑州分公司，河南 郑州 450052）

压力容器开孔接管区的应力强度评定

秦富友1，杜四宏2

（1．河南省化工压力容器检测中心站，河南 郑州 450000;2．中国核电工程有限公司郑州分公司，河南 郑州 450052）

通过Ansys对压力容器开孔接管区进行了有限元应力分析，得到了其受力特性和应力分布规律，并对其进行了应力强度评定。

压力容器;接管;有限元分析;强度评定

在核工业、石油化工、轻工、电厂、化学化工、制药等工业生产中广泛使用的压力容器，由于各种工艺和结构上的要求，常常需要在其上开孔并安装接管。不断出现的一些接管破坏导致容器失效的事故，引起了工程和科学研究人员的广泛重视[1～2]。由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力，引起开孔附近区域应力集中，在容器上造成局部高应力，从而严重影响容器的整体承载能力，该部位很有可能成为设备的破坏源，因此对开孔接管部位做详细的应力分析和强度评定是确保压力容器安全运行必不可少的内容。

容器开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中;另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力。同时，接管与壳体是通过焊缝连接在一起的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会造成局部结构不连续，形成局部不连续应力。因此，对这类应力的求解是相当复杂的，工程上常采用应力集中系数法、数值解法、实验测试法和经验公式来计算局部应力[3]。应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限单元法和边界元法等。近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的有限元分析 （FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。

有限单元法的基本思路是将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元节点的参量为基本未知量，单元内的相应参量用单元节点上的数值插值，将一个连续体的无限自由度问题变为有限自由度的问题，再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加，解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也最终收敛于精确解。ANSYS软件是集机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程等一般工业和科学结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天的研究。ANSYS软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。

为了揭示压力容器开孔接管区的受力特性和应力分布规律，本文建立了压力容器开孔接管的有限元分析模型，并对其进行了有限元分析计算和应力强度评定。工程实践表明，其分析过程和计算结果可为试验和生产提供参考和依据。

1 模型的有限元分析

1．1 问题描述

压力容器筒体内径 Di＝2000mm， 壁厚 tc＝30mm，接管外径 do＝530mm，壁厚 tn＝15mm，压力容器与接管的材料为16MnR。接管内伸长度Li＝195mm，外侧过渡圆角r1＝30mm，内侧过渡圆角r2＝15mm;内压 p＝1．2MPa。 材料弹性模量 E＝2．0×105MPa，泊松比 μ＝0．3。 圆柱壳开孔接管的几何尺寸如图1所示。

1．2 网格划分

由于仅考虑内压作用下容器接管处的应力状况，为此有限元分析模型可利用该结构的对称性（模型在结构上是对称的，同时载荷也是对称的）取开孔接管区的1／4建模。根据圣维南原理，筒体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度，因此，本文取圆柱壳长度L＝4000mm，接管外伸长度l＝500mm。由于接管与筒体相贯区附近有较高的应力集中，为保证其计算精度，网格划分时此区域的单元尺寸应尽可能小一些，网格应密集一些。在远离相贯区处，网格可以适当加大以减小计算量。为了使开孔接管处的网格比较密集，本文在单元尺寸控制上采用了指定线上的单元分割方式，选择了8节点SOLID45的实体单元（即Bick 8Node 45）对结构进行离散化，进行网格划分后的模型如图2所示。

1．3 边界条件

由于结构是轴对称的，载荷也是轴对称的，因此可将模型简化为轴对称问题。其对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移，施加完位移约束条件的有限元模型如图3所示。压力容器筒体内表面和接管内表面承受内压P，接管内伸部分的外表面也承受内压P，筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc，并按如下公式进行计算:

将1．1中的数据代入上面的公式可得:

2 计算结果及强度评定

受内压筒体与接管区的Tresca应力云图如图4所示。从图中可以清楚地看出，最大应力发生在筒体与接管的连接区，达到274．22MPa。可见，筒体与接管的连接区域是容器最容易出现危险的部分，这与上面的论述相一致，也与工程实际相吻合。

我国的JB 4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》[4]要求对计算部分的应力做详细的计算，按应力的性质、影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、二次应力和峰值应力，对于不同性质的应力给予不同的限制条件。应力强度的评定方法可分为点处理法和线处理法，对于复杂结构还可以采用面处理法[5]。本文采用线处理法，即将容器危险截面上各应力分量沿应力分布线进行均匀化和线性化处理，并将得到沿应力分布线的平均应力（薄膜应力）、线性应力（弯曲应力）和应力的非线性部分，再根据应力对容器失效所起作用的大小分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力和峰值应力，并计算出不同应力类型及其组合的应力强度，要求相应的应力强度不超过各自许用值[6]。各应力强度的限制条件如下:

（1）一次总体薄膜应力强度Pm:

Pm≤1．0 Smt＝143．5

（2）一次局部薄膜应力强度Pl

Pl≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（3）一次薄膜应力（总体或局部）加一次弯曲应力强度Pm＋Pb:

Pm＋Pb≤1．5Smt＝1．5×143．5＝215．25 MPa

（4）一次加二次应力强度 Pm＋Q:

SⅣ≤3Smt＝3×143．5＝430．5 MPa

（5）峰值应力强度:

SⅤ≤2Sa＝2×138＝276 MPa

根据应力处理线的划定原则，针对受内压的筒体和接管连接区在应力强度最大处划出一条应力处理线，如图5中直线所示（虚线为筒体与接管变形前的形状，实线为筒体与接管变形后的形状）。按照图5选取的应力评定线进行应力强度评定，应力评定结果见表1。筒体与接管连接的区域能满足强度要求。筒体与接管连接的区域是容器中的应力高强度区，也是容器最容易出现破坏的地方，因此在设计、制造过程中应保证该处的尺寸。另外，几何形状或尺寸的突然改变是产生应力集中的主要原因之一，因此，在筒体与接管连接处应尽量采用圆弧或经形状优化的特殊曲线过渡以减少该处出的应力。

表1 筒体接管处的应力处理线评定结果

3 结论

经过对该结构的有限单元法分析计算，该受内压筒体及接管在给定的结构尺寸和操作工况条件下，其强度满足相应要求。分析过程和计算结果可为试验和生产提供参考和依据。

[1] 薛明德．国外关于圆柱壳开孔接管问题的研究概况[J]．压力容器．1991，8 （2）:4-9．

[2] 王志文．接管高应变区的二维模拟及失效评定曲线研究[J]．压力容器．1996，13（4）:21-25．

[3] 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，2001．82．

[4]JB 4732-95，钢制压力容器——分析设计标准[S]．

[5] 贺匡国．压力容器分析设计基础[M]．北京:机械工业出版社，1995．26．

[6] 郑津洋，等．基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计[J]．压力容器，2003，20（7）:22．

Stress Strength Evaluation for Opening Tubing Connection on Pressure Vessel

QINFu-you1，DUSi-hong2
（1．Chemical Pressure Vessel Inspection Center of Henan Province Station，Zhengzhou 450000，China;2．China Nuclear Power Engineering Co．， Ltd．， Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450052， China）

To opening tubing connection on a pressure vessel，finite element analysis was used on the basis of Ansys， drawing its stress characteristics．With regard to dangerous section， the strength assessment was carried out．

pressure vessel; opening tubing connection; finite element analysis; strength assessment

TH 49

A

1671-9905（2011）07-0052-03

秦富友，男，河南省郑州市东明路北17号，河南省化工压力容器检测中心站，主要从事锅炉和压力容器的检测以及力学分析，13633829625

2011-04-29