立式壓力容器吊裝時(shí)軸耳的應(yīng)力分析

余 侃，於潛軍

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.湖南中先智能科技有限公司，湖南 長沙 410138)

大型立式壓力容器[1]運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行吊裝前復(fù)核時(shí)，若是發(fā)現(xiàn)該設(shè)備吊裝工況考慮不夠充分，增設(shè)吊點(diǎn)對筒體薄弱位置進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)是行之有效的辦法之一，但是無形中增加了吊裝成本，選擇合適位置增設(shè)軸耳用作吊裝是現(xiàn)場解決此類問題的較佳選擇。吊裝時(shí)，若是由于實(shí)際場地限制，導(dǎo)致大型機(jī)械無法選擇最優(yōu)的站位時(shí)，出于吊裝的安全考慮，項(xiàng)目上往往會(huì)要求制造廠增加臨時(shí)軸耳用作吊耳，而增加吊耳的位置和結(jié)構(gòu)形式無法按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)選定，故采用有限元法對吊裝過程的實(shí)際工況加以模擬，對吊耳及周圍筒體受力情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，確保吊裝過程的安全。本文采用有限元[2]分析軟件ANSYS對該設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，然后采用JB4732—1995[3]《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))進(jìn)行結(jié)果評定，其中材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度按GB/T150.2—2011《壓力容器第2部分：材料》[4]對應(yīng)的許用應(yīng)力確定。

1 有限元基本理論

彈性體的有限單元法：[5]

[K][q]=[R]

(1)

式中，[K]為結(jié)構(gòu)總剛矩陣；[q]為節(jié)點(diǎn)位移列陣；[R]為節(jié)點(diǎn)載荷列陣。

2 有限元分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

本立式容器總質(zhì)量為244 500 kg，件號及主要材質(zhì)見表1。設(shè)備由多節(jié)不同厚度的筒體組成，筒體上焊接有2個(gè)軸耳和1個(gè)尾吊，設(shè)備內(nèi)徑2 000 mm，筒體直段長度23 065 mm。設(shè)備幾何尺寸見圖1，軸耳尺寸見圖2，尾吊幾何尺寸見圖3，幾何模型見圖4。

表1 主材材質(zhì)

圖2 軸耳

圖3 尾吊

圖4 筒體實(shí)體模型

2.2 有限元模型

根據(jù)設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu)創(chuàng)建設(shè)備全模型，包括上、下封頭，不同壁厚的筒節(jié)、軸耳和尾吊。采用實(shí)體單元SOLID185對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，筒體壁厚方向網(wǎng)格劃分不少于3份，軸耳墊板、軸耳管軸、軸耳擋板、軸耳筋板和尾吊墊板沿厚度方向劃分至少3層單元，模型單元數(shù)共計(jì)484 770，節(jié)點(diǎn)數(shù)總計(jì)643 424。有限元網(wǎng)格模型見圖5、圖6。

圖5 筒體有限元模型

圖6 軸耳有限模型

2.3 臥式吊裝工況

2.3.1邊界條件

(1)位移邊界條件。設(shè)備在水平方向起吊時(shí)，對尾吊孔、軸耳擋板內(nèi)側(cè)面約束，施加約束后的有限元模型見圖7。

圖7 位移邊界條件

(2)力學(xué)邊界條件。設(shè)備在水平方向起吊時(shí)，考慮設(shè)備自重以及1.65的綜合影響系數(shù)，重力沿著X軸負(fù)方向。施加重力載荷后的力學(xué)模型見圖8。

圖8 力學(xué)模型

2.3.2計(jì)算結(jié)果

圖9與圖10為水平方向起吊工況下整體結(jié)構(gòu)及軸耳的Tresca應(yīng)力云圖。

圖9 整體結(jié)構(gòu)Tresca應(yīng)力云圖

圖10 軸耳Tresca應(yīng)力云圖

2.3.3強(qiáng)度評定

根據(jù)JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)規(guī)范》(2005確認(rèn))進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。

主應(yīng)力差：

S12=σ1-σ2

S23=σ2-σ3

S31=σ3-σ1

應(yīng)力強(qiáng)度：

S=max{|S12|,|S23|,|S31|}

一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為KSm，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5KSm，一次應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度極限為3.0Sm，Sm為許用應(yīng)力強(qiáng)度。K為載荷系數(shù)，設(shè)計(jì)工況下取K=1.0。

由軸耳Tresca應(yīng)力云圖9可知，軸耳的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位置位于軸耳墊板與軸耳管軸連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為101.905 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×185=277.5，強(qiáng)度條件SⅡ<15φSm，SIV<3Sm自動(dòng)滿足。

2.4 立式吊裝工況

2.4.1邊界條件

(1)位移邊界條件。設(shè)備在豎直方向起吊時(shí)，軸耳擋板內(nèi)側(cè)面約束，施加約束后有限元模型見圖11。

圖11 位移邊界條件

(2)力邊界條件。設(shè)備在豎直方向起吊時(shí)，考慮設(shè)備自重以及1.65的綜合影響系數(shù)，重力沿著Y軸負(fù)方向，施加重力載荷后的力學(xué)模型見圖12。

圖12 力學(xué)模型

2.4.2計(jì)算結(jié)果

圖13與圖14為豎直起吊工況下整體結(jié)構(gòu)及軸耳的Tresca應(yīng)力云圖。

圖13 整體結(jié)構(gòu)Tresca應(yīng)力云圖

2.4.3強(qiáng)度評定

由軸耳Tresca應(yīng)力云圖14可知，軸耳的等效當(dāng)量應(yīng)力最大值位于軸耳墊板與軸耳管軸連接處，最大當(dāng)量應(yīng)力值為177.626 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×185=277.5，強(qiáng)度條件S11<15φSm，SIV<3Sm自動(dòng)滿足。

圖14 軸耳Tresca應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS對本設(shè)備在臥式起吊和立式起吊兩種工況下進(jìn)行軸耳的應(yīng)力分析及強(qiáng)度評定，求解得到在臥式吊裝工況下軸耳的最大當(dāng)量應(yīng)力為101.905 MPa；在立式吊裝工況下軸耳的最大當(dāng)量應(yīng)力為177.626 MPa，分析得出其小于材料許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求，因此設(shè)備在兩種工況下是安全的。評定結(jié)果表明，設(shè)備在起吊工況下滿足JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))的要求。