趙榮，木合塔爾·買買提依明

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 ，新疆 烏魯木齊 8 3 0 0 1 1）

壓力容器大開孔接管有限元分析及強(qiáng)度設(shè)計的研究

趙榮，木合塔爾·買買提依明

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 ，新疆 烏魯木齊 8 3 0 0 1 1）

壓力容器常見大開孔結(jié)構(gòu)，主要是為了滿足其工藝需求，但實(shí)踐中因?qū)嶒?yàn)分析未能達(dá)到其安全性與適用性要求，因此，應(yīng)力分析受到了高度關(guān)注，特別是有限元分析法。本文介紹了壓力容器設(shè)計、開孔補(bǔ)強(qiáng)、有限元分析的概況，重點(diǎn)探討了壓力容器大開孔接管有限元分析及強(qiáng)度設(shè)計。

壓力容器；大開孔接管；有限元分析；強(qiáng)度設(shè)計

壓力容器在多個領(lǐng)域均扮演著重要的角色，如化工、石油、醫(yī)藥等，但其復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工藝要求較高，實(shí)際設(shè)計中需要開孔，隨之破壞了壓力容器的強(qiáng)度。為了避免上述問題出現(xiàn)，傳統(tǒng)方法為減少開孔，如果不能避免開孔則最大限度地縮小孔徑。但實(shí)踐中面對大開孔結(jié)構(gòu)，因未能有效解決強(qiáng)度設(shè)計難題，從而增加了意外事故發(fā)生幾率。

1 壓力容器設(shè)計、開孔補(bǔ)強(qiáng)、有限元分析的概況

1.1 壓力容器設(shè)計

壓力容器在實(shí)際運(yùn)行時，常見腐蝕、易燃及有毒等介質(zhì)，如果其失效，則會造成無法挽回的損失，嚴(yán)重情況下，也會威脅人身安全。為了避免安全事故出現(xiàn)，在設(shè)計過程中要求壓力容器應(yīng)具備一定的安全性、環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壓力容器失效形式多種，包括剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定與密封失效等，各失效形式均有著各自的失效準(zhǔn)則，以此為依據(jù)，分析受壓元件壓力，對其進(jìn)行有效控制，在此基礎(chǔ)上，方可保證設(shè)計質(zhì)量與效果。

壓力容器設(shè)計主要為兩種，一種為常規(guī)設(shè)計，其設(shè)計準(zhǔn)則為彈性失效；另一種為分析設(shè)計，其前提條件為應(yīng)力分析，二者相比，后者優(yōu)勢更為顯著，如大幅度提高了設(shè)計精度、創(chuàng)新了彈性應(yīng)力評定方法等。

壓力容器大開孔接管的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，具體有薄膜應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、局部應(yīng)力等，為了保證壓力容器安全與可靠運(yùn)行，實(shí)踐中應(yīng)充分分析與了解開孔接管應(yīng)力分布情況，并展開相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計。

1.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)

壓力容器受過于集中的局部應(yīng)力影響，其操作安全將受到嚴(yán)重的威脅，因此，開孔補(bǔ)強(qiáng)得到了有關(guān)行業(yè)重視。在開孔補(bǔ)強(qiáng)過程中應(yīng)滿足以下要求：為了有效補(bǔ)償因開孔造成的削弱效應(yīng)，補(bǔ)強(qiáng)中應(yīng)利用充足的金屬，并將其直接設(shè)置在開孔附近部位，并對其外形進(jìn)行合理的處理，以此防止應(yīng)力集中問題出現(xiàn)。

目前，大開孔補(bǔ)強(qiáng)方法主要有以下幾種：一是等面積法，其優(yōu)點(diǎn)為簡便性，將其用于較小直徑的開孔，具有一定的安全性與可靠性，但因其過于簡化，實(shí)踐中因補(bǔ)強(qiáng)材料過大、部分配置不足，使其未能滿足大開孔的補(bǔ)強(qiáng)需求；二是壓力面積法，它作為近似分析法與經(jīng)驗(yàn)法，與第一種方法本質(zhì)一致，雖然其補(bǔ)強(qiáng)范圍偏小、補(bǔ)強(qiáng)較為密集，但不適用于開孔率超過0.7的結(jié)構(gòu)；三是極限載荷法，其以塑性失效準(zhǔn)則為依據(jù)，以殼體模型為前提條件，憑借極限荷載展開了分析，該方法充分考慮了開孔的實(shí)際情況，保證了計算準(zhǔn)確性；四是A S ME法，該方法在壓力面積法的基礎(chǔ)上，對薄膜應(yīng)力強(qiáng)度給予了關(guān)注，同時，考慮了彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，以此完善了計算，進(jìn)一步提高了大開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的安全性與可靠性。上述方法均具有一定的差異性與局限性，為了保證強(qiáng)度計算的精準(zhǔn)性，使其更加安全與可靠，文本采用了有限元法。

1.3 有限元分析法

2 0世紀(jì)中期國外學(xué)者提出了有限元分析法，其主要用于處理連續(xù)介質(zhì)問題。它的基本思路便是對連續(xù)求解區(qū)域進(jìn)行離散，使其成為有限個數(shù)，并以一定方式聯(lián)結(jié)的單元。由于各個單元形狀各異，并可以差異化組合，因此，可以對復(fù)雜的求解域進(jìn)行模型化處理。該方法屬于數(shù)據(jù)分析法，通常，分為三個環(huán)節(jié)，第一劃分單元，單元大小與計算精度呈負(fù)相關(guān)，即：單元越小、精度越高；第二利用簡單函數(shù)來表達(dá)單元位移，此后對各函數(shù)進(jìn)行連接，此時便可獲得近似真實(shí)的位移函數(shù)；第三借助協(xié)調(diào)條件、疊加原理等，獲得多元一次方程組，再引入約束條件，便可得到關(guān)于構(gòu)件強(qiáng)度問題的數(shù)值解。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析法利用計算機(jī)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，特別是A NS Y S軟件出現(xiàn)后，由于其擁有多樣的單元庫、豐富的材料模型庫及差異化的求解器，從而實(shí)現(xiàn)了對不同問題的有效求解。我國在設(shè)計壓力容器時采用了A NS Y S軟件，凸顯了其精準(zhǔn)性、簡便性與省時性等優(yōu)點(diǎn)。

2 壓力容器大開孔接管有限元分析及強(qiáng)度設(shè)計

2.1 模型構(gòu)建

壓力容器大開孔接管處分布著復(fù)雜的應(yīng)力，其作為應(yīng)力集中區(qū)域得到了設(shè)計人員高度重視，為了有效處理其應(yīng)力分布問題，選用了有限元分析法。在實(shí)踐中為了保證結(jié)果準(zhǔn)確，需要構(gòu)建有限元模型。為了建立三維有限元模型，研究中應(yīng)充分發(fā)揮A NS Y S的作用，特別是其實(shí)體造型功能，待造型成功后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)劃分便可獲得模型。

在建立模型時以徑向垂直接管壓力容器為對象，具體為1/8筒體與1/4接管結(jié)構(gòu)，由于其具有軸對稱性，因此，縮短了計算時間，高效利用了計算資源。實(shí)踐中分別構(gòu)建筒體與接管模型，通過運(yùn)算，保證其符合建模要求。此外，對模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，由于網(wǎng)絡(luò)劃分方法、單元形式均直接影響著計算結(jié)果，因此，在確定單元類型過程中應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)類型、計算分析類型，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、數(shù)量、疏密等，經(jīng)綜合考量后，選用了2 0節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體等。

邊界條件主要包括位移與荷載邊界條件，其中涉及的計算條件有：1.2 MP a設(shè)計壓力、1焊縫系數(shù)、2 0℃設(shè)計溫度、1.5 mm腐蝕裕量。銅鎖A NS Y S軟件自動求解后，利用應(yīng)力云圖形象、直觀呈現(xiàn)了應(yīng)力分布狀況，同時，在處理應(yīng)力數(shù)據(jù)時，使用了線處理法。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)有關(guān)規(guī)定可知，壓力容器大開孔接管根據(jù)其焊接安裝方式，可分為兩種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，分別為插入式與安放式，前者又可細(xì)化為平齊式與內(nèi)伸式，因此，從兩個角度探討了三維有限元計算模型的應(yīng)力情況。

（1）接管平齊式。研究中構(gòu)建的模型有6個，為了證實(shí)其準(zhǔn)確性，運(yùn)用了電阻應(yīng)變測量法，其中，容器大開率為0.6 5 3 4、壁厚鼻為2，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)為平齊式，焊縫系數(shù)為1。通過對有關(guān)數(shù)據(jù)觀察，未見最大應(yīng)力值，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果為模型4結(jié)果基本相同。因此，有限元建模具有一定的準(zhǔn)確性。

（2）接管內(nèi)伸式。為了了解接管內(nèi)伸式補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，本研究構(gòu)建了兩種有限元模型，其不同點(diǎn)表現(xiàn)為接管內(nèi)伸長度各異，分別為5 0 mm與2 0 0 mm。經(jīng)計算分析可知，第一個模型：接管和筒體相貫線腹部附件等效應(yīng)力最大，表現(xiàn)出了明顯的集中應(yīng)力，在實(shí)際設(shè)計時應(yīng)對此處進(jìn)行線性化處理；第二個模型：接管腹部角點(diǎn)處應(yīng)力較為集中，該特征隨著接管與筒壁厚有著緊密的聯(lián)系，厚度越大，應(yīng)力集中越明顯，因此，在設(shè)計過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該參數(shù)。

通過對應(yīng)力分布分析可知，內(nèi)伸式的接管加強(qiáng)了補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，但如果內(nèi)伸過度，則會增加表面彎曲應(yīng)力。

2.3 大開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及補(bǔ)強(qiáng)

一是應(yīng)力分布，在對壓力容器進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計時最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)便是開孔補(bǔ)強(qiáng)，但大開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)受內(nèi)壓影響，通過上文分析可知，平齊式或內(nèi)伸式的筒體開孔接管處均表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)力集中問題，具體的應(yīng)力區(qū)為補(bǔ)強(qiáng)相貫區(qū)。

二是補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。實(shí)際設(shè)計是為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)力線性化處理，需要對應(yīng)力進(jìn)行分解，具體分為三部分，分別為沿壁厚的均勻分布、線性與非線性分布，為了有效區(qū)分三者，需要借助等效線性化處理法，最為關(guān)鍵點(diǎn)便是對校核線位置及方向進(jìn)行準(zhǔn)確選取。此外，為了保證大開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計效果，實(shí)踐中可考慮壓力面積法、A S ME法與有限元分析法，但因壓力面積法屬于經(jīng)驗(yàn)計算法，未能關(guān)注彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致其安全性較差。因此，本文采用了A S ME法，將其與有限元分析法進(jìn)行了相互驗(yàn)證。對于壓力容器大開孔而言，其屬于容器薄弱部位，由于其設(shè)計規(guī)范尚不統(tǒng)一，因此，實(shí)踐中應(yīng)盡量保守設(shè)計，采用接管補(bǔ)強(qiáng)，對其制作、檢驗(yàn)等均進(jìn)行嚴(yán)格的要求，以此保證容器開孔質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜上所述，壓力容器大開孔接管補(bǔ)強(qiáng)因應(yīng)力分布特殊，其補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計超出了既有規(guī)定，為了保證補(bǔ)強(qiáng)有效性與安全性，應(yīng)力分析設(shè)計法經(jīng)不斷探索與研究日漸成熟，本文探討了有限元分析及強(qiáng)度設(shè)計。

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