典型裙座结构在疲劳容器中的应用比较

张秋祥*

（四川蜀道装备科技股份有限公司）

0 引言

压力容器设计是保证压力容器安全使用的基础。一般情况下，大多数压力容器除了承受介质压力外，通常还受到高温或低温等联合作用，且温度、压力的波动或短期超载常常是不可避免的。如遇频繁开停工或温度、压力波动等情况，超过一定次数或频率后就会引起容器部件疲劳失效。合理的裙座与塔体局部连接结构，可以保证塔设备生产安全，降低事故发生的概率。

本文以某疲劳工况的压力容器裙座与塔体连接结构为例，对堆焊型、对接型和整体锻焊型三种结构采用有限元通用软件进行了分析比较。

1 三种裙座结构基本形式

塔器裙座与塔体的连接形式一般有对接型、堆焊型和整体锻焊型三种，如图1 所示。

图1 塔器裙座与壳体三种基本连接形式

2 载荷分析

2.1 设计条件及结构

某装置中干燥塔采用球形封头，其结构尺寸可见图2，设备内径D1=3 000 mm，腐蚀裕量D2=2 mm。设备操作中存在吸附、再生和冷却三种工况，其中吸附与再生工况，冷却与吸附工况的操作切换时长均为0.5 h，操作压力分别在3.77 ～0.4 MPa 和0.4 ～3.77 MPa 之间变化，吸附、再生和冷却操作交替进行，干燥塔的技术特性可见表1。

表1 干燥塔技术特性表

图2 干燥塔结构示意图（单位：mm）

该设备具有成功使用经验的承受循环载荷容器，可按GB/T 150—2011《压力容器》标准进行设计，但其裙座壳与塔壳连接处应力应按JB 4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》附录C进行疲劳分析和评定。

2.2 计算条件

静强度计算条件如下：计算压力为4.3 MPa,计算温度为80 ℃。球形封头承压材料在设计温度下的力学性能可见表2。

表2 球形封头材料力学性能

2.3 疲劳计算条件

根据设计条件，载荷的循环条件可见表3 和图3。

图3 压力循环示意图

表3 载荷的循环条件

疲劳分析免除的判定条件可根据JB 4732—1995（2005 年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》第3.10.2.1 条，对常温抗拉强度小于等于550 MPa 的钢材，总循环次数小于1 000 的可免除疲劳分析，故不能免除疲劳分析。

由于加温、冷吹过程缓慢进行，塔器结构简单，筒体外径与内径之比D0/Di≤1.2，属于薄壁容器，且设备有完善的保温层，根据已有设备运行经验，按JB 4732—1995（2005 年确认）标准中的温度疲劳定义，相邻两点温差未超过25 ℃，所以不计温度循环载荷的疲劳影响。

3 有限元模型

3.1 模型建立

压力容器裙座壳与塔体连接部位采用圆弧过渡，避免应力集中程度过高，该设备结构为轴对称形式，其有限元模型可见图4 ～图6。

图4 对接型裙座支撑区模型

图5 堆焊型裙座支撑区模型

图6 整体锻焊裙座支撑区模型

3.2 网格划分

压力容器裙座支撑结构属于轴对称，采用有限元分析软件提供的面单元。为了得到较好的网格划分模型，需合理设置单元大小，并对裙座壳体与球形封头连接处采用子模型进行细化处理。模型及子模型网格划分情况可见图7～图9。

图7 对接型裙座支撑区子模型网格示意图

图8 堆焊型裙座支撑区子模型网格示意图

图9 整体锻焊型裙座支撑区子模型网格示意图

3.3 加载边界条件与载荷

4 应力分析与强度评定

4.1 应力分析

裙座支撑区子模型应力云图分别如图10～图12所示。由图10 可以观察到最大应力强度贯穿过渡圆角处，并对高应力强度截面和变截面选取三条路径进行线性化，详见图13。由图11 和图12 可以观察到最大应力强度发生在封头内表面处，并对高应力强度截面和变截面选取三条路径进行线性化，详见图14和图15。线性化分析后可得路径上的薄膜应力、弯曲应力、薄膜加弯曲应力及峰值应力。根据应力线性化结果，选取分类应力最大值，其值可见表4 ～表6。

表4 对接型裙座支撑区应力数据（应力线性化路径A1-A2）

表6 整体锻焊型裙座支撑区应力数据（应力线性化路径A1-A2）

图11 对接型裙座支撑区子模型应力云图

图12 堆焊型裙座支撑区子模型应力云图

图13 整体锻焊型裙座支撑区子模型应力云图

图14 对接型裙座支撑区子模型应力线性路径

图15 堆焊型裙座支撑区子模型应力线性路径

图16 整体锻焊型裙座支撑区子模型应力线性路径

三个模型的三条路径线性化结果表明，A1-A2路径的应力最大。

表5 堆焊型裙座支撑区应力数据（应力线性化路径A1-A2）

4.2 强度评定

所得的薄膜应力属于一次局部薄膜应力（pL）,对应一次局部薄膜应力强度（SⅡ）。该处的薄膜加弯曲应力总量中含有静力平衡需要的一次弯曲应力和因变形协调引起的二次弯曲应力，由于两种成分无法区分，为了满足JB 4732—1995（2005 确认）标准对各类应力强度应依次逐级评定的要求，对薄膜加弯曲应力宜保守考虑按（SⅢ）处理，按1.5KSm控制，载荷组合系数K取1.0 。

4.2.1 对接型裙座支撑区强度评定

薄膜加弯曲应力强度符合标准要求。

所以，裙座壳与塔体连接结构的三种形式强度均满足标准要求。

5 疲劳分析

根据容器的应力分析结果，裙座壳体与封头的峰值应力强度 是裙座支撑区峰值应力强度的最大值，故选择该点进行疲劳分析和评定。峰值应力强度是在设计载荷下求得的，所以在求交变应力幅时应乘以相应的修正系数。

5.1 对接型裙座支撑区压力循环范围

根据 JB 4732—1995（2005 年确认）附录C 的表C-1“设计疲劳曲线图的Sa值”，用插值法可计算得到设计温度下交变应力幅所对应的许用循环次数N1=145 959 次。因为，总循环数N=20 000 次，且N＜N1所以该结构满足疲劳强度要求。

5.2 对焊型裙座支撑区压力循环范围

其最大峰值应力强度为192.69 MPa。

压力修正交变应力强度幅：

根据 JB 4732—1995（2005 年确认）附录C 的表C-1“设计疲劳曲线图的Sa值”，用插值法可计算得到设计温度下交变应力幅所对应的许用循环次数N1=1 000 000 次。因为，总循环数N=20 000 次且N＜N1，所以该结构满足疲劳强度要求。

5.3 整体锻焊型裙座支撑区压力循环范围

其最大峰值应力强度为177.41 MPa。压力修正交变应力强度幅：

据上计算结果可知，该塔器裙座与塔体连接结构的三种形式均可以满足疲劳强度要求。

6 结论

裙座壳体与塔壳连接选用的三种形式（对接型、堆焊型和整体锻焊型）强度进行对比，结果可见表7。整体锻焊型应力幅和堆焊型应力幅相对对接型应力幅占比分别为60.7%和66%，整体锻焊型结构强度明显优于对接型和堆焊型。

表7 三种结构型式的应力峰值

（1）整体锻焊型结构强度明显优于对接型和堆焊型两种，但是从应力幅来看，整体锻焊型与堆焊型的值较接近。（2）从结构特点来对比，对接型连接形式结构简单，造价便宜，但其裙座与封头连接的内侧焊缝倒圆角不容易加工，容易形成应力集中，甚至产生裂纹。堆焊型连接形式结构相对简单，在连接处内外加工倒圆较容易角，避免产生应力畸变，但是焊接工作量明显大于对接型和整体锻焊型，堆叠的底层焊缝容易过热，造成内部缺陷。整体锻焊型将封头分为球冠和过渡段两部分，过渡段采用整体锻件，分别与封头和裙座壳对焊，应力集中系数较小，也不容易产生裂纹，但采用该结构对制造厂的加工能力、制造周期和制造成本要求明显高于对接型和堆焊型。（3）通过建立有限元模型和边界条件，计算了各结构的应力分布情况，压力容器的应力强度评定和疲劳分析结果均满足要求。（4）堆焊型和整体锻焊型结构型式改善了结构的受力状况，降低了局部的应力集中程度，提高了容器的疲劳寿命。综合考虑制造、检验难度和经济性能等因素，在可靠的焊接工艺保证下，采用堆焊型是较为合理的。