平封头双开孔接管结构有限元应力分析

李 川， 董金善， 史为帅，赵 悦

(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

平封头双开孔接管结构在石油、化工和能源行业板壳式热交换器等设备中应用广泛。平封头开孔接管区存在结构不连续，造成接管区应力分布复杂及局部应力集中。平封头接管外载荷，如接管弯矩、轴向力、扭矩的耦合作用，还会使得接管区的应力分布更加复杂。因此，对平封头接管区的应力分布规律进行研究很有必要。GB 150.1～150.4—2011《压力容器》[1]中明确规定了开孔要求和开孔补强的条件，ASME BPVC SEC Ⅷ—2013《Alternative Rules for Construction of Pressure Vessels》[2]中也指出了承受压力载荷的受压壳体上开孔附近的合理设计要求。

任智杰[3]通过实例分析了作用在接管端面上的轴向外力对承受内压的压力容器接管部位的强度计算结果的影响，并探讨了接管轴向外力的方向与大小对不同类型容器壳体的影响规律。吴本华等[4]研究了接管弯矩作用下容器开孔结构的弹性应力。唐清辉等[5-7]研究了接管轴向载荷、弯矩分别与内压耦合后对筒体强度性能的影响。刘庆刚等[8]采用ANSYS有限元软件分析了圆筒双开孔结构的应力。杜青海等[9-11]基于精确圆柱薄壳理论，求解内压作用下和组合载荷作用下带径向接管圆柱壳的薄壳理论解，并研究了这2种情况下的弹性应力分析设计方法。王战辉等[12]研究了接管内径、筒体与斜接管中心线夹角、接管厚度、斜接管的圆角与倒角等参数对斜接管不连续应力分布的影响。

目前，国内对平封头双开孔接管结构在接管外载荷与内压耦合作用下的应力分布少有研究。为此笔者利用有限元分析软件ANSYS，采用线弹性分析方法和极限载荷分析方法，对平封头双开孔接管结构在接管轴向载荷与内压耦合作用下的应力进行分析。

1 平封头双开孔接管结构有限元模型

1.1 结构及尺寸

平封头双开孔接管结构模型由平封头、双开孔接管(2个接管尺寸、材质完全相同)以及筒体3部分组成，见图1。图中Di为筒体内径，do为接管外径，h1为接管高度，h3为筒体长度，δ为接管壁厚，δ1为平板封头厚度，δ2为筒体厚度。

图1 平封头双开孔接管结构简图

平封头双开孔接管结构的筒体及平封头材料均为Q345R，接管材料为16MnⅡ，设计压力p=0.69 MPa，设计温度150 ℃下的材料力学性能见表1。考虑2 mm腐蚀裕量以及0.3 mm厚度负偏差后的平封头双开孔接管结构设计尺寸和计算尺寸见表2。接管端面承受轴向拉力F1和轴向推力F2，共有9种计算工况，见表3。

表1 150 ℃下平封头双开孔接管结构材料力学性能

表2 平封头双开孔接管结构基本尺寸 mm

表3 平封头双开孔接管结构计算工况

1.2 网格划分

平封头双开孔接管结构的几何模型、施加载荷以及约束条件具有对称性，为提高计算效率，文中只采用1/2模型。模型选用SOLID 185单元，采用六面体网格划分，网格数67 810个，共80 592个节点。得到的平封头双开孔接管结构有限元模型及网格划分见图2。

图2 平封头双开孔接管结构有限元1/2模型及网格划分

1.3 约束条件及施加载荷

在平封头双开孔接管结构的纵向对称端面及筒体纵向对称端面施加对称约束，筒体的下端面施加x、y、z方向的位移和转动约束，筒体内表面、平封头内表面以及接管内表面施加压力0.69 MPa，接管口端面施加如表3所示的轴向拉力和轴向推力载荷。

2 平封头双开孔接管结构有限元计算结果

2.1 线弹性分析方法

将接管轴向拉力、轴向推力分别与内压耦合，分析接管连接区轴向应力、薄膜应力以及一次应力+二次应力的分布及变化规律。在接管和平封头连接区，沿接管厚度方向建立路径path1，沿平封头厚度方向建立路径path2，见图3。

图3 平封头双开孔接管结构线性化路径示图

不同轴向载荷与内压耦合工况下，路径path1和path2方向上平封头的轴向应力分布规律分别见图4和图5。图4中横坐标指平封头距离接管开孔处的横向距离，图5中横坐标指接管距离接管开孔处的纵向距离。

图4 不同轴向载荷与内压耦合工况下路径path1平封头轴向应力分布规律

分析图4a可以看出，在相同距离处，接管轴向拉力增加，平封头轴向应力增大；距离在0～20 mm时，平封头轴向应力均逐渐降低，而且降低的速度较快；当距离大于20 mm之后，平封头的轴向应力基本不变。

分析图4b可以看出，在相同距离处，接管轴向推力增加，平封头轴向应力减小；距离在0～20 mm时，平封头轴向应力均逐渐降低，且降低的速度较快；当距离大于20 mm之后，平封头的轴向应力基本不变，说明接管轴向载荷导致局部应力集中范围在20 mm内。

图5 不同轴向载荷与内压耦合工况下路径path2平封头轴向应力分布规律

分析图5a可以看出，距离在0～25 mm时，平封头轴向应力随接管轴向拉力的增加而增加，且均为正值；距离在25～35 mm时，平封头轴向应力随着接管轴向拉力的增加而降低，且为负值。从图5b看出，距离在0～25 mm时，平封头轴向应力随接管轴向推力的增加而减小，且均为正值；距离在25～30 mm时，平封头轴向应力随接管轴向推力的增加而变大，且为负值。

不同轴向载荷与内压耦合工况下平封头和双开孔接管连接区最大应力、薄膜应力以及一次应力+二次应力随接管轴向载荷的变化规律见图6。

图6 不同轴向载荷与内压耦合工况下平封头双开孔接管连接区各应力变化规律

分析图6a可以看出，①随着接管轴向拉力的不断增加，平封头双开孔接管连接区最大应力、薄膜应力及一次应力+二次应力均不断增加。②当接管轴向拉力较小时，平封头双开孔接管连接区薄膜应力与一次应力+二次应力的差值较大。③随着接管轴向拉力的增加，平封头双开孔接管连接区最大应力、薄膜应力及一次应力+二次应力越来越接近，这说明接管轴向拉力的增加导致了平封头双开孔接管连接区弯曲应力的降低。

由图6b可以看出，接管轴向推力增加时，平封头双开孔接管连接区最大应力、薄膜应力及一次应力+二次应力均不断降低。

2.2 极限载荷分析方法

针对平封头双开孔接管连接区的危险点，利用极限载荷分析方法[13-14]，分析不同接管轴向载荷作用下危险点49631的极限压力-应变曲线，见图7。

图7 不同接管轴向载荷作用下平封头双开孔接管连接区危险点49631极限压力-应变曲线

分析图7可以看出，①接管轴向推力增加了平封头双开孔接管连接区结构的极限承压能力，随着接管轴向推力的增加，平封头双开孔接管连接区的极限承压能力增加。②接管轴向拉力降低了平封头双开孔接管连接区的极限承压能力，且随着轴向拉力的增加，平封头双开孔接管连接区的极限承压能力降低。

笔者采用两倍弹性斜率准则分析平封头双开孔接管连接区的极限压力-应变关系曲线[15-17]，确定在不同接管轴向载荷作用下平封头双开孔接管连接区的极限内压，得到的关系曲线见图8。

从图8可以看出，随着接管轴向拉力的不断增加，平封头双开孔接管连接区的极限内压逐渐降低；随着接管轴向推力的不断增加，平封头双开孔接管连接区的极限内压逐渐增加。

3 结语

(1)随着接管轴向拉力的增加，平封头双开孔接管连接区的最大应力、薄膜应力及一次应力+二次应力不断增加；随着接管轴向推力的增加，平封头双开孔接管连接区的最大应力、薄膜应力及一次应力+二次应力不断降低。

图8 平封头双开孔接管连接区极限内压与轴向载荷关系曲线

(2)在接管轴向载荷与内压共同作用下，接管轴向载荷对平封头双开孔接管连接区弹性应力的影响是局部的，适当增加接管轴向推力载荷，能够有效降低平封头双开孔接管连接区由于结构不连续导致的弹性应力集中影响。内压对平封头双开孔接管连接区弹性应力的影响是全局的，但对接管与封头连接区域的影响较显著。

(3)内压与接管轴向载荷对平封头双开孔接管结构的极限载荷影响显著。接管轴向推力能够有效提高接管区的极限承压能力，且随着轴向推力的增加，平封头双开孔接管连接区的极限内压不断增加。接管轴向拉力会降低平封头双开孔接管连接区的极限承压能力，且随着接管轴向拉力的增加，平封头双开孔接管连接区的极限内压不断降低。

(4)采用线弹性有限元方法可以绘制平封头双开孔接管连接区的极限载荷关系曲线，可通过该关系曲线指导平封头双开孔接管结构压力容器的设计及安全运行。