椭圆封头中心接管在内压及弯矩作用下的应力分析

李 程，王茂廷，龚 雪，吕 明

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

为了满足操作工艺的要求，化工容器必不可免的要在容器的筒体或是封头上开孔并连接接管，这对容器壳体的应力分布与强度都有显著的影响。由于封头上开孔并连接结果，削弱了封头的强度，破坏了结构的连续性，使得封头和接管连接区域必将存在复杂的应力，使该部位成为容器强度、刚度和稳定性的薄弱环节，引起了工程设计人员的高度关注。在化工容器设计中,对开孔接管问题。一方面是研究开孔接管处的应力分布情况和应力集中程度;另一方面是研究接管连接部位的加强结构，以便在强度上使容器壳体因开孔受到的削弱得到合理的补强。在压力容器中，除了内压之外，往往还承受着诸如弯矩，扭矩等复杂载荷条件，在这方面的计算报告较少，使得工程人员在设计传递复杂附加载荷的椭圆封头中心接管结构时，缺少计算方法和可能借鉴的设计案例［1,2］。

本文将通过以某压力容器上的椭圆封头中心接管为例，研究其在内压及接管弯矩作用下的应力分析。

1 结构及尺寸

所研究的设备主要是由封头以及中心接管组成的，筒体的连接方式为焊接结构。

假设法兰接头结构中各个元件的材料均为线弹性材料，其材料属性参数参见表1-3。

表1 设备的主要尺寸Table 1 The main dimensions of the equipment

表2 设备的材料属性Table 2 The material properties of the equipment

表3 设备的设计数据Table 3 The design data of the equipment

2 有限元分析模型

2.1 实体模型

椭圆封头中心开孔接管结构具有集合对称轴的特点，但是由存在接管弯矩，载荷是非轴对称的，因此有限元计算不能采用抽对称模型。只能采用1/4或是1/2模型，而本模型仅考虑了接管力中的弯矩，所以采用1/2模型进行有限元计算。实体模型如图1所示。

图1 椭圆封头中心开孔接管1/2模型Fig.1 Elliptical head center open hole over 1/2 model

2.2 网格划分

筒体、接管和封头均采用的是Solid186单元，由于选用1/2模型进行分析，因此为了得到比较理想的网格划分，故对接管和筒体进行手动限制单元大小，之后使用扫掠的方式对封头部分进行整体扫掠。共划分单元 26 331个，节点4 621个。，网格剖分及加载情况见图2［3］。

图2 椭圆封头中心开孔接管网格划分Fig.2 Grid division of elliptical head with center nozzle

2.3 载荷与边界条件

模型两侧需要施加对称约束；

筒体底端要约束Y方向位移；

容器内压力为0.2 MPa；

接管端部弯矩1 000 000 N·mm；

接管端部轴向平衡面载荷3.89 MPa［4］。

3 椭圆封头中心开孔接管结果分析

由图3应力强度分析图所示，可以看出施加0.2 MPa内压值后的变形及应力分布情况。在途中可以看出整个系统中应力强度最大的地方是接管与封头连接处，该处的应力强度值为107 MPa［5］。

4 强度评定

由图3应力强度分析图所示，可以看出最大应力强度发生在接管根部的内壁，贯穿接管的内外壁取应力评定处理线，利用ANSYS的线性化处理程序进行处理，可得到该处理线上的薄膜应力、弯曲应力及薄膜、弯曲应力强度［6］。

根据 JB4732-1995，封头接管分布在外部载荷或力矩，或内压作用下，其薄膜应力为局部薄膜应力，弯曲应力为二次应力，故该结构可进行应力评定如下：

PL=58.34 MPa<1.5 Sm(169.5 MPa)

PL+Pb+Q=103.6<3 Sm(339 MPa)

因此，结构满足强度要求。

图3 椭圆封头中心开孔接管结果分析Fig.3 Elliptical head center open hole over the results analysis

5 结 论

（1）开孔接管的应力分析是个颇为复杂的问题,而在工程实际上又是个现实而重要的问题。由于结构的特殊性, 容器壳体上的一些特殊方位的接管结构, 是很难得到满意的解析的, 而利用ANSYS接触分析不失为一种有效、可靠的方法。

（2）椭圆封头水平切向接管结构应力分布的显著特点之一是, 不仅在接管和封头壳体连接的相贯线上出现较大的应力强度, 而且在连接处接管壁上也出现较大的应力强度。

（3）根据连接部位的应力分布特点, 确定封头壳体和接管同时加强的结构合理可行。

［1］ 张薇.带有接管的椭圆形封头结构应力分析及评定[G].大庆油田工程有限公司:油气田地面工程,27(7).

［2］ 淡勇，李俊菀，李会强.椭圆封头水平接管部位应力分析和加强效果研究[J].化工机械，2009，36(6): 570-574.

［3］ 余伟炜，高炳军，等．ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．

［4］ 薛明德, 孔合堂, 田丽珊. 球壳开孔接管的分析设计方法及其实验验证[J]. 压力容器, 1989, 6( 1): 34-42.

［5］ 淡勇，陈志良，李俊菀.复杂载荷作用下的椭圆封头-接管连接加强结构设计[J].石油化工设备技术，2009，30（6）:27-31.

［6］ 黄克敏，杨种.内压容器大开孔接管补强分析方法的探讨[J].南昌大学学报，2002，24(1):48-50.