压力容器中具有斜度的切向接管的数值模拟和结构优化

赵晨光

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

引言

在压力容器设计中，接管是一种很常见结构。通常按照接管轴线的方向，一般分为径向接管、斜接管以及切向接管。接管处的开孔往往导致较大的应力集中，而且整体强度亦收到削弱[1]，压力容器设计人员应予以高度重视。

径向和斜接管的开孔补强一般可以利用等面积法进行计算，而切向接管开孔的长短径之比通常大于2.0，此时等面积法已经不再适用[2]；而且有时为了保证工艺方面的要求，切向接管的轴线方向还会与水平线成一定的角度，这更加剧了开孔处的应力集中问题，本文将其称作切向斜接管。迄今为止，已经有很多学者对压力容器的径向和切向开孔接管进行了大量的研究[3-5]，但对切向斜接管的研究却很少见文献报道。目前，通过有限元模拟分析的方法能较好地计算这种接管的强度应力问题，然后根据JB 4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行应力评定；本文采用有限元软件ANSYS Workbench 14.0 对具有不同倾斜角度的切向斜接管进行模拟分析，得到倾斜角度对开孔处应力的影响。

1 工程案例

现在某化工装置中，一台设备的筒体上开有切向斜接管，其设计参数及结构尺寸，如表1 所示。

表1 设计条件和结构尺寸

筒体内径Φ4 400 mm，接管尺寸DN50，采用厚壁管结构，外径D0=80 mm，内径Di=43 mm，同时接管轴线方向与水平线方向成15°，由于开孔的长短径之比大于2.0，等面积法不适用。根据项目统一规定，只能采用有限元方法，通过有限元分析，已经评定了此处的应力为合格。

在上述工程实例的基础上，利用ANSYS Workbench 14.0 建立筒体与切向斜接管模型，倾斜角度包括0°、10°、15°、20°、30°、45°，考察接管在上述情况下的应力变化情况。因为对于长圆形开孔，开孔长轴方向与圆筒轴线垂直时，具有较小的应力集中系数，所以本文不考虑倾斜角度大于45°的接管，因为应力集中过大，不推荐使用，本文只研究最大45°的倾角。

2 有限元分析

2.1 模型建立

利用Workbench 建立具有不同倾角的六个切向接管模型，倾斜角度见上节；根据压力容器筒体的结构的对称性和加载的特性，建立四分之一的筒体，同时保证筒体、接管长度远大于相应边缘应力的衰减长度；接管与筒体连接处的内外侧倒圆角，圆角半径R均为10 mm；采用三维实体单元（SOLID185）对模型进行网格划分，接管与壳体连接处应进行网格的局部加密，如图1 所示。

图1 切向斜接管模型网格示意图

模型的边界加载条件：对筒体一端的环面限制轴向和周向位移为0 mm，而另一端环面和接管端面施加等效力；筒体的两个轴向端面施加无摩擦约束；筒体及接管内表面施加设计压力p=2.41 MPa。

2.2 应力分析

模型在pc=2.41 MPa 的设计内压作用下，应力分布云图，如下页图2 所示。

图2 切向接管应力分布云图

从图2 中可以看出，不论倾斜角度如何改变，最大应力总是出现在沿筒体轴向锐角内截面，因此在此处取三个方向的路径，分别是PATH1（对角线路径）、PATH2（接管壁厚路径）、PATH3（筒体壁厚路径）；每条路径取13 个节点进行线性化处理，获得各自的局部薄膜应力、弯曲应力、薄膜加弯曲应力及最大应力，如表2 所示。

表2 切向斜接管三条路径的应力（沿筒体轴向锐角截面）

从表2 可以看出：应力水平的大小：PATH1＞PATH3＞PATH2，不论角度如何改变，最危险路径始终是PATH1（对角线路径）；当倾角≤20°时，局部薄膜应力最大发生在筒体壁厚上，当倾角＞20°时，薄膜最大应力发生在对角线附近；最大应力均发生在PATH1（对角线），而且在接管与筒体连接处，存在很大的峰值应力，导致最大应力远大于膜+弯的最大值；弯曲应力大小：PATH1＞PATH3＞PATH2，三条路径中，PATH1（对角线）、PATH2（接管壁厚）中，弯曲应力所占比例大于50%，PATH3（筒体）局部薄膜成分较大，达到60%以上。

根据表2 中得到的数据，为了更直观的表达应力随角度的变化趋势，得到切向斜接管模型中各应力随倾斜角度变化的曲线，如图3 所示。

分析图3-1～3-4 可知：

由图3-1 可以看出，三种应力均随接管倾角的变大而增加，当倾角≤20°时，增加趋势近乎平缓，但当倾角＞20°时，增加幅度急剧加大，这说明切向斜接管的倾斜角度应尽量不超过20°；

由图3-2 可以看出，沿着接管壁厚方向，应力随着倾角的增加呈现减小的趋势，且当倾角超过20°时，减小的趋势更加明显；

由图3-3 可以看出，沿着筒体壁厚方向，只有倾角超过30°时，三种应力明显下降，其他情况变化不明显，角度改变对筒体厚度方向的应力影响不大；

图3 切向斜接管模型应力变化曲线

图3-4 中，当倾角超过20°，最大应力明显增加，说明峰值应力也随着角度明显增加，进一步证明了切向斜接管的倾斜角度不宜超过20°。

2.3 结构优化

在2.2 节的模型中，接管与筒体连接处的内外侧倒角均为10 mm，因为最大应力均发生在内壁面，且存在很大的峰值应力，导致较大的应力集中，为了缓解局部应力，应使连接处圆滑过渡，现取接管倾斜角度为30°的模型，圆角半径分别为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，得到PATH1（对角线路径）的应力的变化曲线，如图4 所示。

图4 应力随倒角半径的变化曲线（PATH1）

由图4 可以看出，R≤15mm 时，应力随着半径的增加而减小，其中最大应力明显缓解，但是对M、B、M+B 影响幅度较小，说明倒角主要用于缓解峰值应力；当R＞15mm 时，应力反而增大，说明倒角半径不宜过大。

工程上，切向接管的补强通常采用厚壁管的形式，因为补强圈不方便焊接，而且效果并不理想。通常，出于焊接的考虑，接管壁厚与筒体壁厚的比值通常在0.5～2 之间变化。为了得到壁厚比值对应力的影响，取具有30°倾角、倒圆角半径15 mm 的切向斜接管模型，选用DN50、Sch80 的补强管，改变接管壁厚，接管与筒体的壁厚比值分别取0.42、0.7、1、1.3、1.6、2。得到应力变化曲线，如图5 所示。

图5 应力随着壁厚比值的变化曲线（PATH1）

从图中可以看出：随着接管壁厚增加，M、B、M+B减小；影响程度：Max＞弯曲＞膜+弯＞膜，其中对膜应力影响最小；通过与图4 对比，改变接管壁厚对应力的影响程度远不如改变圆角半径的影响。

3 结语

为了研究切向斜接管模型中应力随着倾斜角度的变化情况，本文分别取倾角0°、10°、15°、20°、30°、45°，得出结果：取了PATH1、PATH2、PATH3三条路径，发现PATH1（对角线）上应力值最大；倾角改变，对PATH1 影响最大，PATH2 次之，PATH3 影响最小；出于安全考虑，切向斜接管的倾斜角度最大不宜超过20°。

然后在此基础上，通过两方面对切向斜接管进行结构优化，得到结论：倒角半径R 不宜大于15 mm；切向斜接管壁厚对应力的影响不如改变倒角半径。