基于电测法与ANSYS评定压力容器错边结构

何 斌 任建民 陈思瑶

(1. 辽宁石油化工大学机械工程学院；2. 内蒙古科技大学)

基于电测法与ANSYS评定压力容器错边结构

何 斌*1任建民1陈思瑶2

(1. 辽宁石油化工大学机械工程学院；2. 内蒙古科技大学)

利用电测法和有限元分析法对筒体和封头的错边结构进行应力分析和强度评定，两种方法的计算结果趋于一致，证明了两种方法的可靠性，为压力容器的安全运行提供参考依据。

压力容器 错边结构 电测法 有限元分析法 应力分析

在压力容器制造过程中，错边量是检验其质量的重要技术指标，特别是筒体与封头的连接环缝(错边结构)常出现错边量超标现象，使应力集中更加突出，导致产品合格率下降。而电测法作为实验测定应力应变的常用方法，用于测定压力容器各点处的应力应变更加普遍。某厂制造的压力容器因加工制造误差和筒体与封头不等厚导致筒体与底封头连接部位的错变量超过GB 150-1998所允许的 B 类接头的最大错边量。针对这一现象，笔者采用电测法和有限元分析法相结合的方法对错边结构进行检测，然后根据JB 4732-1995对其进行强度校核[1]。

1 电测法

电测法的实验原理是：将电阻应变片(又称电阻片或应变片)牢固地贴在构件表面，当构件发生变形时，应变片随着一起变形，利用电阻片的应变效应使应变变化转化为电阻变化；然后利用电阻应变仪把应变片的电阻变化率转换成电压变化，并通过仪器内的放大器加以放大；放大后的电压信号通过应变仪再转换成实际应变量并显示出来。测得电阻应变仪的应变值后对其进行修正：

ε片=(K仪/K片)·ε仪

(1)

式中K仪/K片——修正系数；

ε片——所测电阻片的真实应变；

ε仪——电阻应变仪的读数。

根据广义胡克定律计算测量点的实际应力值，从而求得主应力值，因此电测法是通过测定应变来测试应力的[2]。测点主应力方向已知，在测点沿主应力方向贴两个工作片R1、R2，测定对应的环向应变ε′和经向应变ε″。由于测点较小，若干工作片共用一个补偿片，这时工作片轮流接入桥路，而公用补偿片却长期通电，可能会因升温使温度补偿效果变差而造成读数漂移，因此将另两个应变片当做温度补偿片[3]。贴片方案如图1所示，采用1/4接法，占用两个预调平衡通道。

图1 压力容器电测法实验装置贴片方案

根据广义胡克定律，外壁膜应力σ′和内壁膜应力σ″的计算式为：

(2)

(3)

其中，弹性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。错边结构的压力p=1.36MPa。

根据实验测定与计算结果，得到的测定结果数据见表1。

表1 电测法应力测定结果 MPa

2 有限元分析法

由于该压力容器的错边结构为轴对称结构，因此取结构的二分之一进行分析计算。设计温度195℃，设计压力1.36MPa，筒体与封头的材料均为AISI 304(0Cr18Ni9)，常温(20℃)弹性模量E=204GPa，泊松比ν=0.3，下屈服强度ReL=368MPa。由于0Cr18Ni8化学成分(表2)与0Cr18Ni9的相似，因此0Cr18Ni8在不同温度下的许用应力Sm可以参考0Cr18Ni9 的许用应力。由文献[1]可知，当线性插值为195℃时，0Cr18Ni8的许用应力为 100.9MPa，屈服极限180MPa。在计算过程中，取材料的许用应力为100.9MPa。

表2 0Cr18Ni8的化学成分和含量 %

有限元的计算结果是总应力，按照分析设计要求，应根据结构的几何形状将有限元计算应力分为薄膜应力、弯曲应力和峰值应力，然后根据各类应力的产生原因和对结构失效的不同作用，采用不同的强度极限加以限制。笔者采用工程通用的应力分类方法——线处理法对有限元计算应力进行分类[4]。

利用ANSYS软件建立错边结构的有限元模型，并对其进行网格划分(图2)。筒体侧长度为300mm，单元为8节点等参元，单元沿厚度共3层，并在错边区域采用多点、密集的网格结构，结构最终共划分了129个单元，480个节点。对错边结构的两端面施加轴向位移约束，并对其中一个端面施加周向位移约束(图3)。

图2 错边结构的有限元模型网格划分

线处理错边区域得到的环向应力与周向应力如图4所示，从图4可以看出：错边处外表面沿着经向发生了局部塑性变形；远离错边区域，应力迅速衰减，边缘应力分布与理论分析基本趋于吻合。

图3 错边结构有限元模型的约束施加

图4 有限元模型错边区域环向、周向应力分布

3 电测法与有限元分析结果比较

经过实验计算，错边结构外壁膜应力σ′=140MPa，内壁膜应力σ″= 139MPa，将最大主应力与材料屈服极限ReL相比较，σ′+α=139+189=328MPa<368MPa，符合强度要求，不需要进一步评定[5]。

由图 4可知，在封头转角处有较大的压缩应力(最大98MPa)。220°C下材料的许用压缩应力为99MPa，常温下的许用压缩应力为114MPa，最大周向应力小于常温许用压缩应力，因此该应力为峰值应力，对容器整体影响不大。

笔者利用电测法和有限元分析法对筒体和封头的错边结构进行了应力分析和强度评定，对比两种方法的计算结果发现，有限元分析计算值与电测法的计算值相近，其相对误差的计算式为：

(4)

由式(4)可以估算出相对误差不大于5%。

4 结束语

比较电测法计算值和有限元分析法计算值，结果显示二者基本趋于一致。通过轴对称有限元在压力容器设计中的应用和与电测法计算结果的比较，说明如果建立合理的力学模型并实现结构关键点的离散化(即在关键点部位网格划分得小、多、密)，则有限单元法获得的近似解比较精确。在结构、载荷较复杂的情况下，弹性体应力和应变分布的连续函数难以通过经典的弹性力学求得，但有限单元法可准确地获得弹性体的应力分布情况，可靠性高。

[1] JB 4732-1995，钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：中国机械工业出版社，2005.

[2 ] 蒋玉川，江国宾. 广义主偏应力强度理论[J]. 工程力学，1998，15(2)：117～122.

[3] 黎冬翠. 压力容器电测法应力测量实验探讨[J].实验技术与管理，2007，24(3)：43～45，48.

[4] Narasaiah G L, Subhash G. A Computational Approach for the Classification of FEM Axisymmetric Stress as per ASME Code[J].Pressure Vessel and Piping Technology, 1986, 109: 168～174.

[5] 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，2010.

StaggeredJointAssessmentforPressureVesselsBasedonElectrometricMethodandAnsys

HE Bin1, REN Jian-min1,CHEN Si-yao2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China; 2.InnerMongolianUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Both electrometric method and finite element analysis were adopted to analyze the stress and to assess the strength of the staggered joint of both cylinder barrel and head. The results show that this two method’s calculation results tend to consistency to provide the reference for safety run of vessels.

pressure vessel, staggered joint, electrometric method, finite element method,stress analysis

*何 斌，男，1988年8月生，硕士研究生。辽宁省抚顺市，113001。

TQ053.2

A

0254-6094(2015)02-0266-03

2014-07-07，

2015-03-18)