基于ANSYS的石油压力容器疲劳寿命研究

李建

（成都益志科技有限责任公司， 四川 成都 610036）

随着社会的发展，人们的物质需求不断攀升，其中对于石油资源的需求量表现得更加显著。为了顺应社会需求量的提升，世界各国的石油开采量逐渐加大。我国作为世界上最大的发展中国家之一，对石油的消耗量非常巨大[1]。石油压力容器是石油开采和运输过程中的重要设备[2]。压力容器使用环境复杂且装载介质特殊，任何环节出现问题都有可能引发严重的安全事故，因此必须采取措施对其使用状态进行监测[3,4]。石油压力容器在使用过程中由于环境复杂容易受到外界对其造成的循环周期载荷，在周期载荷的作用下表面容易出现裂纹[5]。毫无疑问，如果容器表面出现了裂纹，会对其正常可靠运行构成威胁，缩短设备的使用寿命。基于此，为准确掌握石油压力容器的使用寿命，有必要研究分析裂纹对容器疲劳寿命的影响规律[6]。本文以某工程用石油压力容器为例，建立了压力容器疲劳寿命预测模型，详细分析了裂纹对疲劳寿命的影响规律。对于准确预测石油压力容器的寿命，指导容器的实践应用具有重要的实践意义。

1 石油压力容器疲劳寿命模型的建立

1.1 三维模型的建立

三维模型利用Solid Works软件绘制，石油压力容器为圆筒形件，内径和壁厚分别为3m和10mm。结构简单，模型建立过程方便。模型建立完成后要将其导出为STP格式，以便后续导入到ANSYS软件建立容器的疲劳寿命预测模型。

1.2 有限元模型的建立

（1）模型假设。压力容器内部存储的石油会导致沿着容器厚度方向温度分布不均匀。因此，在开展寿命预测过程中还需要考虑温度的影响，建立热力耦合模型。另外，为简化计算过程，假设容器内表面存在的裂纹全部为椭圆形。

（2）网格划分。网格划分是有限元仿真分析中的关键环节，会直接影响仿真分析计算过程和结果。考虑到本文的研究对象压力容器为曲面结构，最终选择十节点四面体单元进行网格划分，网格边长设置为10mm。最终得到的单元数量和节点数量分别为245087个和321654个。

（3）材料属性。压力容器的材料为Q345，该材料的弹性模量和泊松比分别为208GPa和0.3，屈服强度和最大许用应力值分别为345MPa和510MPa。将上述参数输入到有限元模型中参与计算，以确保计算结果的精度。

（4）边界条件。石油容器在工作时会受到外部对其造成的冲击，导致容器内部石油发生晃动，因此内表面会受到周期性载荷作用。且石油容器遭受的冲击是间断变化的，所以容器内壁受到的载荷也是变化的。在ANSYS软件中通过载荷步设置压力容器内表面载荷在0-1MPa范围内变化。考虑到石油容器内部石油有温度，将容器内部温度设置在40-60℃内变化。可以看出，石油容器在工作时不仅会承受持续变化的力载荷，同时还承受一定的温度载荷。在力载荷和温度载荷的综合作用下，压力容器不可避免地会出现疲劳裂纹，只是时间长短的问题。如果出现裂纹后不对其进行处理，就会急剧缩短设备使用寿命。

2 石油压力容器疲劳寿命预测结果分析

主要研究了裂纹宽度、深度、方向、数量对石油压力容器疲劳寿命的影响。下面对这些情况进行详细介绍。

2.1 单个轴向裂纹的影响

图1所示为单个轴向裂纹时的疲劳寿命分布云图。需要说明的是，图中显示的裂纹规格为长度×深度=150mm×8mm。由图1可知，在裂纹的影响下，容器表面不同区域的疲劳寿命分布非常不均匀，距离裂纹越近则疲劳寿命越短，距离裂纹越远则疲劳寿命越长。

图1 单个轴向裂纹时的疲劳寿命分布云图

图2所示为单个轴向裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线。本研究中将裂纹长度设置在50-200mm范围内，每间隔50mm取值计算，将裂纹深度设置在2-8mm范围内，每间隔2mm取值计算。由图可知，裂纹的规格尺寸会对容器疲劳寿命产生显著影响。具体而言，随着裂纹规格尺寸的逐渐增大，容器的疲劳寿命逐渐降低。且当裂纹尺寸不同时，其降低的趋势存在差异，尺寸越大降低趋势越显著。

图2 单个轴向裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线

2.2 单个纵向裂纹的影响

当石油压力容器只包含有单个纵向裂纹，结果发现疲劳寿命最短的区域为裂纹最尖端部分，同样与实际情况吻合。如图3所示为单个纵向裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线。需要说明的是，仿真模拟时设置的裂纹规格尺寸与横向裂纹时相同。由图可知，裂纹规格尺寸对疲劳寿命的影响规律与横向裂纹时相同。即裂纹长度不变时，随裂纹深度不断增加，疲劳寿命逐渐降低。裂纹深度不变时，随着裂纹长度增加，疲劳寿命同样呈现逐渐降低的趋势。从图2和图3还可以看出，不管裂纹方向如何，裂纹深度对石油压力容器的疲劳寿命影响更加显著。另外，对比纵向和轴向裂纹可以发现，当深度和长度都相同时，横向裂纹对压力容器疲劳寿命的影响更加显著。因此，在工程实践中，要特别注意石油压力容器裂纹的方向以及深度。

图3 单个纵向裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线

图4 双裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线

2.3 双裂纹的影响

在模型中同时设置两条裂纹，尺寸相同但存在一定角度。结果发现裂纹尖端部位仍然是疲劳寿命最短的区域。如图4(a)所示为双裂纹对压力容器疲劳寿命的影响曲线。需要说明的是，仿真模拟时设置的双裂纹规格尺寸与单裂纹时相同。由图可知，双裂纹规格尺寸对疲劳寿命的影响规律与单裂纹时相同。

进一步分析双裂纹间夹角对压力容器疲劳寿命的影响，结果如图4(b)所示。从图中曲线可以看出，当裂纹长度固定时，随着双裂纹夹角的不断增加，压力容器疲劳寿命逐渐降低。且随裂纹长度的增长，这种逐渐降低的变化趋势变得越来越显著。另外还发现，双裂纹夹角在角度相对较小时变化幅度相对较大，当增加到一定程度时变化幅度相对较小。

基于上述研究结果可知，当石油压力容器内表面同时存在多条裂纹时，与单裂纹相比较，其受力情况变得更加复杂。不同裂纹间的受力会相互影响相互作用。在裂纹长度和深度都相同时，双裂纹导致的容器疲劳寿命衰减速度更快。

3 疲劳寿命预测模型对工程实践的指导

某石油压力容器为圆筒形，圆筒的内径为3m，壁厚值为10mm，材质为Q345。在正常使用过程中受到周围环境对其施加的0-1MPa的循环载荷。由于石油压力容器工作环境复杂，在使用过程中不可避免地会在压力容器内外表面形成裂纹。一旦出现裂纹就会对压力容器疲劳寿命产生严重不良影响。为确保压力容器的使用安全，必须对其使用寿命进行准确预测。根据上文分析结果可以看出，基于ANSYS软件的石油压力容器预测模型与实际情况非常吻合，可以基于该模型来预测压力容器的使用寿命。在本工程案例中，通过检测发现石油压力容器内表面存在多条裂纹，为有效预测压力容器使用寿命，避免容器出现疲劳损伤引发安全事故，根据上文所述的ANSYS软件建模方法，对本工程案例中的石油压力容器进行建模分析，有效预测了压力容器的使用寿命。根据预测结果在压力容器出现疲劳损伤报废之前对其进行更换，有效避免了安全事故的发生。

4 结论

石油压力容器由于工作环境复杂，受到持续变化的冲击载荷作用，容易发生疲劳裂纹，进而使其寿命出现急剧降低。利用ANSYS软件搭建了石油压力容器的疲劳寿命模型，分析了裂纹规格尺寸、双裂纹夹角对疲劳寿命的影响规律。结果发现疲劳寿命与裂纹规格尺寸之间呈现反比例关系。与单裂纹相比较，双裂纹对疲劳寿命的影响更加显著。将本文建立的疲劳寿命预测模型应用到工程实践中，有效预测了某石油压力容器的使用寿命，确保了石油压力容器的使用安全。

◆参考文献

[1] 李扬. 石油测井技术的发展现状与趋势[J].中国化工贸易，2019，11(24)：99.

[2] 刘尧瑞. 石油化工设备压力容器破坏和防范策略[J].新商务周刊，2019，(16)：157.

[3] 于瑞琪. 压力容器在石油化工生产中实际使用寿命的分析[J].中国化工贸易，2019，11(27)：193.

[4] 靳志宇. 论石油化工在用压力容器缺陷修补措施[J].化工管理，2017，(21)：195.

[5] 于静. 压力容器的疲劳寿命与裂纹扩展规律研究[J].名城绘，2018，(9)：522.

[6] 朱永峰. 压力容器带法兰结构的疲劳分析[J].山东化工，2016，45(13)：178-180+183.