大开孔疲劳容器应力强度评定与疲劳分析

赵 鹏张雪铭李 强

（1.浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012）

（2.中国石油大学（华东）化学工程学院 青岛 266580）

大开孔疲劳容器应力强度评定与疲劳分析

赵 鹏1张雪铭1李 强2

（1.浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012）

（2.中国石油大学（华东）化学工程学院 青岛 266580）

为了揭示大开孔疲劳压力容器的应力分布规律，建立了某一大开孔疲劳压力容器的三维有限元模型，施加载荷和边界条件进行应力计算后按照JB 4732—1995的要求进行了线性化应力强度评定和疲劳分析。分析过程和评定结果能够为疲劳压力容器的设计和优化提供一定的参考。

压力容器 大开孔 疲劳 有限元分析 强度评定

压力容器是石油化工、化学工业、核工业、轻工、电子、制药等工业生产中广泛使用的设备，由于各种工艺和结构上的要求，常常需要在压力容器上开孔并安装接管[1]。由于几何形状及结构材料的不连续性，壳体和接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中，两者连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力，引起开孔区域应力集中，在容器上造成局部高应力，从而影响容器的承载能力，该部位很有可能成为容器的破坏源，因此对开孔接管部位作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工作[2-3]。

近年来随着压力容器大型化和复杂化的发展趋势，容器大开孔现象频繁出现，开孔大小、位置以及受力情况往往超出了常规设计的范围；另外，压力容器很有可能还由于承受着循环载荷而处于疲劳工作状态下，这一工况又加剧了壳体和接管连接处附近区域的不连续应力，导致常规设计更加无法解决此类问题，所以需要引入分析设计方法。现阶段最有效、使用最普遍的压力容器分析设计方法是有限元分析[4]。它通过计算机模拟工程中的各种结构和材料[5]，准确计算出结构变形和应力，使产品在设计阶段就能够对其各项性能进行评估，及早发现并及时改进设计上存在的问题，从而大大缩短设计研发周期。有限元技术已经发展成为计算机辅助分析的核心。利用有限元分析及优化技术，可以通过改变结构设计参数，最终找到满足使用条件的最合理的结构形式[6]。有限元分析成为压力容器大开孔问题的有效解决方法且适用于有疲劳设计强度要求的开孔设计。

为了揭示大开孔疲劳压力容器的受力特性及应力分布规律，本文建立了某一大开孔疲劳压力容器的三维有限元模型，施加载荷进行应力计算后进行了应力强度评定和疲劳分析。本文的分析过程和评定结果能够为压力容器的设计和优化提供一定的参考。

1 大开孔疲劳容器工艺参数

1.1 结构尺寸及工艺参数

某一大开孔疲劳压力容器结构如图1所示（为了强调本文分析重点，结构中略去了局部小开孔接管和容器支座）。

容器内介质为氮气，设计压力为0.6MPa，设计温度为100℃，氮气对碳钢的腐蚀裕量取2mm。筒体内径为800mm，筒体壁厚为8mm，封头选用标准椭圆封头EHA 800×8（7.1），大开孔接管采用整体锻件补强管结构（补强圈型式的抗疲劳性能差，故不采用），其结构尺寸详见图1。

图1 大开孔疲劳压力容器结构图

1.2 材料性能参数

容器筒体和封头均采用板材加工制作而成，材质Q345R，其钢板厚度负偏差取为0.3mm；大开孔接管锻件材料为16MnⅡ。板材和锻件的密度均为7850kg/m3。相关材料性能参数见表1。

表1 材料性能参数

1.3 疲劳分析参数

本文所研究的大开孔疲劳压力容器压力最大波动范围为0~0.6MPa，疲劳分析参数见表2。

表2 疲劳分析参数

2 结构有限元分析

对压力容器的分析按照JB 4732—1995《钢制压力容器 分析设计标准》进行，整个计算采用ANSYS软件，建立有限元模型，对压力容器的主要受压元件进行应力强度评定和疲劳分析。

2.1 三维实体模型的建立

对压力容器的主要受压元件（筒体、封头和开孔接管）进行有限元建模，有限元计算厚度均取各部件的最小有效厚度。

为了方便在接管上施加外载荷（径向载荷、纵向与切向弯矩），对压力容器进行整体结构建模。同时，基于筒体结构几何的连续性，在不影响结构应力分布的前提下，省去了筒节中部部分尺寸模型的建立，而与封头相连接的筒节部位模型作了一定尺寸范围的保留。

根据结构特性和承载特性，取1/4结构构建有限元模型，实体模型如图2所示。

图2 三维实体模型（1/4结构）

2.2 单元选择及网格划分

首先定义单元类型和材料属性，采用ANSYS软件中的8节点三维实体单元SOLID95对实体模型进行六面体网格划分。壳体与接管连接处常为危险截面，对其附近区域网格进行了局部加密处理。网格划分后共生成33264个单元，160925个节点。其网格划分如图3所示。

图3 网格划分模型（1/4结构）

2.3 载荷施加及边界条件

在压力容器的筒节内壁、接管内壁以及封头内壁均施加内压载荷，在开孔接管的外端面上施加等效平衡面载荷（即轴向拉应力），其数值为：

式中：

F——等效平衡面载荷；

p——设计压力；

Do——外端面处接管外径；

Di——接管内径。

对结构模型筒节的外端面Y方向进行约束，同时对结构模型的对称面施加对称约束。施加载荷和边界条件后的模型如图4所示。

图4 模型载荷及位移边界（1/4结构）

3 应力强度计算

采用准静态的方法计算出相应工况下的应力强度，依据强度判定准则，对各条危险路径进行应力分类校核，从而判断容器能否满足强度要求。设计工况下结构模型的应力强度分布如图5所示。

图5 模型应力强度分布云图（1/4结构）

可见，最大应力强度为167.5MPa，发生在该大开孔疲劳压力容器的封头与开孔接管的连接处。壳体与接管的连接区域是容器的应力高强度区，也是容器最容易出现危险的地方，这与前面的论述相一致，也与实际情况相吻合。因此，在设计和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，所以在壳体与开孔接管的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的应力。

4 应力强度评定

应力强度评定的依据为JB 4732—1995《钢制压力容器 分析设计标准》。本文中取11条路径对模型进行应力评定，应力等效线性化路径的选取原则是：1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；2）对于相对高应力强度区，沿壁厚方向设定路径。应力评定线性化路径如图6和图7所示。

图6 模型应力强度评定路径（ABCDEFGH）

图7 模型应力强度评定路径（IJK）

按JB 4732—1995的要求，将危险截面上各应力分量沿应力强度评定路径进行线性化处理，将其按一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力进行分类，计算出不同应力类型及其组合的应力强度。对于不同性质的应力给予不同的限制条件，限制条件为：1）一次总体薄膜应力强度SⅠ的许用极限应小于等于Sm；2）一次局部薄膜应力强度SⅡ的许用极限应小于等于1.5Sm；3）一次+二次应力强度SⅣ的许用极限应小于等于3Sm。其中Sm为Q345R或16MnⅡ在设计温度下的许用应力值。由于本容器存在疲劳破坏问题，因此对峰值应力应单独进行疲劳强度分析。具体评定见表3。

表3 应力强度评定结果

5 疲劳强度分析

从应力分析结果可发现，该压力容器主要受压元件的最大交变应力强度出现在封头与开孔接管的连接处。整个结构各点的操作状态相同，故选择该处进行疲劳强度分析。在设计工况下，此处的峰值应力强度SⅤ=167.5MPa。

5.1 正常工作循环

交变应力强度幅值为：

修正后：

查阅设计疲劳曲线S-N，S'alt1对应的最大允许循环次数为N1=8×105次，而N=5.256×105次。

故：N＜N1。

5.2 气密性试验循环

气密性试验压力取为设计压力，交变应力强度幅值为：

修正后：

查阅设计疲劳曲线S-N，S'alt2对应的最大允许循环次数为N2=8×105次，而设备出厂后气密性试验一般为每年检查一次，即n=10次。

故：n＜N2。

5.3 累计损伤校核

用度系数为：

由上述疲劳分析结果可知，该大开孔疲劳压力容器满足疲劳寿命设计要求。

6 结论

通过上述分析，可以看出大开孔疲劳压力容器有限元模型的建立和分析结果是客观的，较为真实地反映了相关结构的受力情况，为压力容器的结构优化提供了充分的理论依据。

1) 在设计工况下对大开孔疲劳压力容器进行有限元应力分析，可知最大应力分布在壳体与大开孔接管的连接处，该处应尽量采用圆弧或经形状优化的特殊曲线过渡。

2) 划定路径进行应力强度线性化处理，并按照JB 4732—1995进行应力评定，可知在设计工况下该大开孔疲劳压力容器是安全的。

3) 最大交变应力强度出现在封头与开孔接管的连接处。选择该处进行疲劳强度分析可知，该大开孔疲劳压力容器满足疲劳寿命设计要求。

[1] 温洁明，边立静，黄艳阳.压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究[J].装备制造技术，2006(4).

[2] 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.

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

[4] 史南达，鲍务均.利用有限元软件对压力容器进行优化设计[J].机械设计与制造，2005(10)：12-14.

[5] 《压力容器实用技术丛书》编写委员会.压力容器设计知识[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6] 闫红红，张亚，张艳军.压力容器壳体的有限元分析及优化设计[J].机械管理开发，2008，23(3)：30-31.

[7] 张忠政，梁华，蒋俊.球壳板曲率超标球罐有限元应力分析与强度校核[J].中国特种设备安全，2008，05：18-20.

[8] 贺能，蒋滨羽，谭湘，等.1500L大型超临界CO2萃取釜应力分析[J].中国特种设备安全，2015，02：29-32.

[9] 王伟雄，王新华，齐凯，等.应力测试技术在状态测试与评估中的应用[J].中国特种设备安全，2013，01：9-11+61.

[10] 林国庆，王茂廷.基于ANSYS软件对压力容器开孔接管区的应力与疲劳分析[J].轻工机械，2011，02：116-119.

Stress Intensity Evaluation and Fatigue Analysis of Large Opening Fatigue Vessel

Zhao Peng1Zhang Xueming1Li Qiang2
(1. Zhejiang Titan Design & Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310012)
(2. Chemical Engineering College, China University of Petroleum Qingdao 266580)

In order to reveal the stress distribution rule of large opening fatigue pressure vessel, the 3D finite element model is established. The stress distribution results are obtained after the load with bearded boundary conditions in the model. Linearity stress intensity evaluation and fatigue analysis results are achieved according to JB 4732—1995. The reference significance and theory basis for design and optimization of fatigue pressure vessel are provided by the analysis process and evaluation results.

Pressure vessel Large opening Fatigue Finite element analysis Stress intensity evaluation

X933.4

B

1673-257X(2015)09-0070-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.09.016

赵鹏（1984～),男，硕士，注册安全工程师，从事化工机械与设备设计工作。

2015-03-31）