乙二醇蒸发器大开孔结构应力分析与强度校核

陈 琦 李可为 张清华 石 瑞 李少华 蒋文春

(中国石油大学(华东)化学工程学院)

随着石油化工行业的快速发展，压力容器大开孔结构越来越普遍。但开孔后由于结构连续性被破坏，开孔和接管部位成为压力容器的薄弱区域。薛明德等致力于研究大开孔结构，并制定了一套合理的压力容器大开孔补强设计方案[1]。随着有限元技术的发展，分析设计法在结构强度设计中得到越来越多的应用。文献[2]对内压容器大开孔接管补强方法进行了分析，针对目前补强方法的不足和局限性，提出了采用三维有限元数值法分析大开孔接管补强问题，并给出了具体的实施方案。文献[3]通过对比、分析有限元应力分析法和压力面积法，最后得出与压力面积法相比，有限元应力分析法更合理、安全且可靠的结论。

笔者采用有限元法对乙二醇蒸发器大开孔结构和补强圈结构进行了应力分析和强度校核，并通过改变内压计算出该筒体所能承受的极限载荷。

1 有限元模型

某乙二醇蒸发器(图1)的筒体内径为800mm、厚10mm。根据工艺要求，需在筒体上开一个内径为700mm的孔，接管厚度为8mm。但根据GB 150-2011[4]的规定，此圆筒最大开孔直径不能超过520mm，因此需要进行补强。经设计计算，补强圈宽200mm、厚10mm。

图1 乙二醇蒸发器结构简图

筒体所盛介质为易燃介质乙二醇，设计温度为230℃。筒体最高工作压力为0.1MPa，设计压力为0.2MPa。筒体主要受压元件材料为0Cr18Ni9。在设计温度下，厂方提供的0Cr18Ni9材料的力学参数有：弹性模量为189GPa，泊松比为0.295，许用应力Sm=122MPa。

由于该结构对称分布，因此只需建1/2的三维模型来进行整体模型的受力分析。用有限元软件ABAQUS软件建立乙二醇蒸发器三维模型，其网格划分如图2所示。

图2 乙二醇蒸发器的1/2三维模型及其网格划分

根据计算要求，以内筒设计压力0.2MPa为载荷进行计算。筒体内表面施加0.2MPa的压应力时，根据力的平衡原理，右侧截面施加的拉应力为3.95MPa，上端面施加的应力为4.32MPa。

2 计算结果与分析

2.1应力评定与分析

图3为乙二醇蒸发器mises应力分布云图，从图3可以看出：筒体与筒体连接部位的结构不连续，产生了较高的应力集中；最大应力强度发生在两筒体的连接处，其值为112.2MPa。

图3 乙二醇蒸发器应力分布云图

根据JB/T 4732-1995[5]对筒体与筒体连接部位进行应力分析与强度校核。应力评定准则为：一次局部薄膜应力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜应力加一次弯曲应力PL+Pb≤1.5Sm。一次总体薄膜应力评定均合格，最大值为34.6MPa。

在结构不连续处(即应力最大处)沿厚度方向取路径P1进行应力线性化。由应力线性化数据可知：一次局部薄膜应力PL=42.1495MPa<1.5Sm=183MPa，符合强度要求；一次局部薄膜应力加一次弯曲应力PL+Pb=48.0MPa<1.5Sm=183MPa，符合强度要求。

2.2受不同内压时的应力评定与校核

在保证其他参数不变的情况下，通过改变内压计算该筒体所能承受的极限载荷。将内压从0.2MPa增至0.7MPa，研究应力强度随内压的变化规律，并对其进行线性拟合(图4)。由图4求出满足强度要求的极限载荷为0.77MPa。

图4 应力强度随内压的变化规律

3 结论

3.1内压为0.2MPa时，一次局部薄膜应力为42.1MPa，一次局部薄膜应力加一次弯曲应力为48.0MPa，均满足强度要求。

3.2通过改变内压计算得到满足强度要求的极限载荷为0.77MPa。

[1] 薛明德，李东风，黄克智. 支管外力矩作用下带径向接管的圆柱壳的局部应力分析[J]. 压力容器，2004，21(1): 18～23，33.

[2] 张红才. 压力容器大开孔补强结构强度有限元分析[J].石油化工设备，2005，34(3): 24～26.

[3] 黄克敏，杨翀. 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(工科版)，2002，24(1): 33～34.

[4] GB 150-2011，钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[5] JB 4732-1995，钢制压力容器——分析设计标准[S].北京: 新华出版社，1995.