壓力容器接管區(qū)應(yīng)力集中彈塑性有限元分析

李迪

摘要：壓力容器在石油化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是一種非常常見(jiàn)的設(shè)備，壓力容器設(shè)備具有儲(chǔ)存液體、氣體的作用。壓力容器主要包括：儲(chǔ)運(yùn)容器、反應(yīng)容器、熱換器以及分離器。壓力容器接管區(qū)的主要目的是為了符合工藝需求，但是也造成接管區(qū)出現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)對(duì)壓力容器接管區(qū)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比和分析，在掌握壓力容器的筒體、接管以及連接部位應(yīng)力狀況的基礎(chǔ)上，對(duì)比壓力容器接管區(qū)應(yīng)力集中彈性塑形變化，并提出相關(guān)的解決措施，能夠有效提高壓力容器接管區(qū)的強(qiáng)度。不斷對(duì)壓力容器進(jìn)行改進(jìn)，使壓力容器的設(shè)計(jì)，制造，檢驗(yàn)以及使用等環(huán)節(jié)都能得到充分保障，實(shí)現(xiàn)了壓力容器的迅速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：壓力容器;應(yīng)力集中;有限元分析

壓力容器是一種廣泛應(yīng)用于石油化工企業(yè)的常用設(shè)備，壓力容器由于結(jié)構(gòu)和工藝要求存在差異性，一般情況下需要進(jìn)行開(kāi)孔裝接管。但是壓力容器在運(yùn)行過(guò)程中具有突變的幾何形，在接管區(qū)域往往會(huì)形成不連續(xù)的應(yīng)力變化，導(dǎo)致接管區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，引起壓力容器局部發(fā)生高應(yīng)力現(xiàn)象，因此，需要利用有限元分析開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力集中變化，確保壓力容器能夠安全運(yùn)行。

一般情況下，壓力容器接管器具有復(fù)雜的應(yīng)力狀況，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要包括：第一，對(duì)壓力容器進(jìn)行開(kāi)孔會(huì)對(duì)容器殼體造成破壞，縮小容器承載面積，導(dǎo)致壓力容器邊緣接管區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。第二，壓力容器接管區(qū)會(huì)出現(xiàn)斷層性結(jié)構(gòu)，接管區(qū)域和殼體在受到內(nèi)壓影響下會(huì)發(fā)生變形，在協(xié)調(diào)變形中會(huì)出現(xiàn)邊緣應(yīng)力，因此，需要利用有限元分析法進(jìn)行壓力容器應(yīng)力集中計(jì)算。

1模型的有限元分析

1.1幾何模型機(jī)載荷

在進(jìn)行模擬過(guò)程中使用有限元模型主要是根據(jù)壓力容器的結(jié)構(gòu)特性和荷載特征。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，壓力容器的結(jié)構(gòu)特征和載荷特征為軸對(duì)稱，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以在對(duì)稱面施加一定的對(duì)稱約束力，并且在接管端不施加軸向移位約束，并對(duì)壓力容器的筒體以及接管區(qū)域施加壓力載荷，可以忽略重力及外壓對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1.2網(wǎng)格劃分

基于僅是對(duì)于在內(nèi)壓作用下接管應(yīng)力的研究，因此針對(duì)這些情況，可以實(shí)行結(jié)構(gòu)對(duì)稱性應(yīng)用，利用有限元模型對(duì)接關(guān)系進(jìn)行建模，接管除外伸長(zhǎng)度與筒體長(zhǎng)度都要比起邊緣應(yīng)力縮減長(zhǎng)度要大。

1.3應(yīng)力分析結(jié)果

通過(guò)研究壓力容器筒體上接管應(yīng)力等值線，可以清晰看出：應(yīng)力值在距離壓力容器接管區(qū)較遠(yuǎn)地方并沒(méi)有明顯變化，因此，此處的應(yīng)力值基本上屬于壓力容器筒體上的薄膜應(yīng)力，而應(yīng)力變化幅度最大的地方是壓力容器接管連接處，壓力容器接管區(qū)的用地非常集中。通過(guò)壓力容器連接邊緣處應(yīng)力分布狀況曲線圖可以明確指出。在壓力容器接管與筒體連接區(qū)的表面出現(xiàn)應(yīng)力對(duì)稱分布狀況，并且在此區(qū)域的最大應(yīng)力值主要分布在接管區(qū)與筒體連接區(qū)域的兩側(cè)。

通過(guò)壓力容器接管區(qū)的應(yīng)力狀況可以看出，最大應(yīng)力數(shù)值位于壓力容器筒體與接管區(qū)域相切處，此處的應(yīng)力值最大，并且在該區(qū)域附近會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力變化梯度，其中相對(duì)較小的應(yīng)力較小區(qū)域在接管部位附近的筒體壁面。根據(jù)這兩種結(jié)果，我們可以得出，壓力容器接管區(qū)的應(yīng)力集中數(shù)值在壓力容器切向接管區(qū)域中較大。在筒體內(nèi)表面接邊緣處的應(yīng)力分布狀況為左右對(duì)稱狀況，當(dāng)時(shí)這種堆成情況并不能完全體現(xiàn)在分布區(qū)域，并且在壓力容器接管區(qū)與筒體相切處出現(xiàn)最大應(yīng)力值。

通過(guò)上述內(nèi)容可以看出，應(yīng)力值在距離壓力容器接管處較遠(yuǎn)地方并沒(méi)有明顯變化，只有屬于筒體本身的薄膜應(yīng)力，而應(yīng)力值變化幅度最大的地方在于壓力容器接管連接區(qū)，并且該區(qū)域的應(yīng)力非常集中，利用有限元分析可以有效得出，筒體幾合的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致更大的陰應(yīng)力值出現(xiàn)，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該盡可能選擇正交接管形式，才能夠在最大程度上確保壓力容器的安全性。

2有限元模型計(jì)算壓力容器結(jié)果及強(qiáng)度評(píng)定

壓力容器接管和筒體連接區(qū)域是壓力容器最容易發(fā)生危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)，在進(jìn)行壓力容器接管時(shí)需要對(duì)接管區(qū)有限元應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并按照有限元影響范圍，狀態(tài)分布以及用理性質(zhì)等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，可以將壓力容器接管區(qū)的應(yīng)力分為一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。其中，一次應(yīng)力是指在外荷載的基礎(chǔ)上，能夠滿足基本平衡條件的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。二次應(yīng)力是指壓力容器內(nèi)部部件與相鄰部件之間的結(jié)構(gòu)約束，自身結(jié)構(gòu)約束會(huì)引起法向應(yīng)力和剪應(yīng)力;峰值應(yīng)力式壓力容器內(nèi)部分結(jié)構(gòu)不連續(xù)或者局部熱應(yīng)力集中在一起，從而引起一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和的應(yīng)力增量，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，峰值應(yīng)力形成的過(guò)程中具有最高應(yīng)力值。對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定時(shí)，需要結(jié)合有線處理法和點(diǎn)處理法，如果為復(fù)雜的應(yīng)力曲線，則需要考慮面處理法。利用線性化和均勻化的方式對(duì)壓力容器的應(yīng)力分布區(qū)域進(jìn)行處理，能夠有效計(jì)算出應(yīng)力分布區(qū)域的非線行應(yīng)力、線性應(yīng)力以及平均應(yīng)力。結(jié)合有限元分析法可以計(jì)算出壓力容器的薄膜應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力。并計(jì)算出不同應(yīng)力類型及其組合應(yīng)力強(qiáng)度。

3結(jié)束語(yǔ)

一般情況下，壓力容器在運(yùn)行過(guò)程中使用正交開(kāi)孔接管或者斜交開(kāi)孔接管等形式，壓力容器接管區(qū)是為了滿足某些工藝生產(chǎn)條件需求。通過(guò)壓力容器接管區(qū)應(yīng)力集中彈塑性有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)在壓力容器接管區(qū)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且應(yīng)力最大值均位于壓力容器已接管區(qū)相接處的內(nèi)側(cè)，隨著距離的不斷增加，應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)逐漸減小，由此可以說(shuō)明接管區(qū)在應(yīng)用過(guò)程中容易發(fā)生大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上加快了筒體幾何的不連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致更大的集合應(yīng)力出現(xiàn)。因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要合理選擇接管形式。壓力容器切向開(kāi)孔接管區(qū)具有足夠的強(qiáng)度，可以有效符合生產(chǎn)需求，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)接管區(qū)的強(qiáng)度狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，確保在生產(chǎn)過(guò)程中的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王陳玉書，張巨偉，張園園.壓力容器開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].當(dāng)代化工，2013（11）：121-123.

[2]陳林.壓力容器切向開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].《化工中間體》，2015，11（8）：44-45.

[3]淡勇，孟德成，李娟，李小勇.壓力容器斜接管區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012（03）：83-90.