水下焊接高壓快開艙整體疲勞分析設(shè)計(jì)

唐德渝，呂 濤，牛虎理，李春潤(rùn)，趙 杰

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

水下焊接高壓快開艙整體疲勞分析設(shè)計(jì)

唐德渝1，呂 濤2，牛虎理1，李春潤(rùn)1，趙 杰2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

水下干法焊接模擬試驗(yàn)需在高壓試驗(yàn)艙中進(jìn)行，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)我國(guó)JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，充分考慮快開結(jié)構(gòu)的接觸力學(xué)性能，對(duì)高壓快開艙進(jìn)行了整體建模和強(qiáng)度校核，并對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行了疲勞分析設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到在特殊的壓力、溫度等情況下進(jìn)行工作的快開艙設(shè)計(jì)要求。

高壓快開艙；分析設(shè)計(jì)；疲勞分析；ANSYS

0 前言

研究水下管道焊接修復(fù)過程中的焊接電弧性能行為，需要能夠頻繁開啟且能夠模擬水下1～400 m水深環(huán)境的高壓快開試驗(yàn)密封艙。對(duì)于高壓快開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)可循，中國(guó)GB-150附錄G7中對(duì)快開卡箍緊固結(jié)構(gòu)有計(jì)算說明，但只計(jì)算了危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，未考慮接觸問題[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于高壓快開艙的設(shè)計(jì)大多采用單獨(dú)分析快開結(jié)構(gòu)、筒體、封頭、接管及鞍座等零部件結(jié)構(gòu)，這種將整體模型簡(jiǎn)化、進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)分析的方法在一定程度上導(dǎo)致分析結(jié)果精度不夠[2]。因此，本研究從接觸力學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行了高壓快開艙的整體建模設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)高壓快開艙進(jìn)行整體建模和強(qiáng)度校核，并對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行了疲勞分析設(shè)計(jì)。

1 高壓快開艙基本參數(shù)

高壓快開艙的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該容器主體由筒體和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭組成，封頭與筒體之間采用卡箍鎖緊結(jié)構(gòu)密封，該結(jié)構(gòu)可以滿足容器快速頻繁開關(guān)的要求。該艙體的設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，最高操作壓力3.8 MPa，操作壓力波動(dòng)范圍0～3.8 MPa，水壓試驗(yàn)最高壓力5.0 MPa，水壓試驗(yàn)波動(dòng)范圍0～5.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度100℃，工作溫度0℃～90℃，筒體內(nèi)徑1 400 mm，高壓快開艙總長(zhǎng)2 060 mm，筒體厚度28 mm，橢圓封頭厚度30 mm，腐蝕裕量2.0 mm，快開艙全容積2.72 m3，按照設(shè)備設(shè)計(jì)壽命15年計(jì)算，預(yù)計(jì)操作壓力下循環(huán)次數(shù)22 000次，預(yù)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力下循環(huán)次數(shù)30次。筒體、封頭、鞍座墊板材料為Q345R，所有接管、筒體法蘭、封頭法蘭、轉(zhuǎn)環(huán)卡箍采用16MnⅢ鍛件材料，鞍座材料為Q235-A，材料在設(shè)計(jì)溫度下的性能參數(shù)如表1所示。

圖1 高壓快開艙基本結(jié)構(gòu)和尺寸

表1 材料在設(shè)計(jì)溫度100℃時(shí)的基本參數(shù)

2 應(yīng)力分析和安全性評(píng)定

2.1 建立幾何模型

采用整體建模方式，運(yùn)用有限元建立的幾何模型如圖2所示，對(duì)于有限元分析建模時(shí)需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。各零部件結(jié)構(gòu)均按圖紙尺寸進(jìn)行建模，忽略卡箍結(jié)構(gòu)和厚壁管中的微小倒角；接管法蘭系統(tǒng)只建接管，不建法蘭，接管沿軸線所受拉力用截面等效拉力表示；接管長(zhǎng)度取管子內(nèi)端面到管子與法蘭連接的環(huán)焊縫處；建模時(shí)筒體、封頭、筒體法蘭、封頭法蘭、所有接管從內(nèi)側(cè)減去2 mm的腐蝕裕量。

2.2 網(wǎng)格劃分

靜力分析和疲勞分析均采用Solid185(8節(jié)點(diǎn))實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格，并控制網(wǎng)格尺寸，保證單元具有較好的形態(tài)。在轉(zhuǎn)環(huán)卡箍和筒體法蘭相接觸的接觸面上、轉(zhuǎn)環(huán)卡箍和封頭法蘭相接觸的接觸面上建立接觸對(duì)，采用面-面接觸單元TARGE170和CONTA174。整體模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。本設(shè)計(jì)通過對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析來檢測(cè)有限元模型的連續(xù)性，保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連續(xù)和節(jié)點(diǎn)信息傳遞的完整性；此外，用網(wǎng)格密度加倍的方法檢測(cè)網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[3]。本研究整體模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)312 330，總單元數(shù)247 301。

圖2 高壓快開艙幾何模型

圖3 整體模型的網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

對(duì)于高壓快開艙整體模型的位移邊界條件需處理為：模型固定鞍座底板下表面采用全約束，模型活動(dòng)鞍座底板下表面僅允許沿軸向(X)的位移，其余方向全約束；在轉(zhuǎn)環(huán)卡箍和筒體法蘭、轉(zhuǎn)環(huán)卡箍和封頭法蘭之間的接觸面上建立接觸對(duì)。而整體模型的載荷邊界條件處理為：在筒體內(nèi)表面、法蘭內(nèi)表面、封頭內(nèi)表面以及接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓力4.0 MPa；在接管截面加等效拉力，大小為p·Si／(So-Si)[p為內(nèi)壓4.0 MPa；Si為接管內(nèi)圓面積；So為接管外圓面積(非厚壁管段)]；試驗(yàn)艙施加的位移邊界條件和載荷邊界條件如圖4所示。

圖4 位移與載荷邊界條件

此外，考慮到試驗(yàn)艙所受的壓力載荷實(shí)際上是周期變化的交變載荷。試驗(yàn)艙內(nèi)壓載荷變化范圍0～3.8 MPa，變化次數(shù)22 000次。其壓力載荷與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。平常不工作時(shí)壓力載荷為0，工作狀況下，工作壓力由0逐漸上升到3.8 MPa并保持此壓力不變，經(jīng)過一段時(shí)間的工作后卸壓為0，完成一個(gè)壓力變化周期，將該交變載荷施加在艙體內(nèi)表面；水壓試驗(yàn)載荷采用同樣的方法處理。

圖5 壓力載荷與時(shí)間的關(guān)系示意

2.4 應(yīng)力強(qiáng)度校核

對(duì)上述模型進(jìn)行非線性接觸分析，試驗(yàn)艙整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖6所示。從圖6可知，各處應(yīng)力強(qiáng)度的分布值，圖中最大應(yīng)力值302 MPa，出現(xiàn)在安全排放口P的內(nèi)壁處，如圖7a所示，該處是模型的最危險(xiǎn)點(diǎn)，整個(gè)模型的疲勞校核將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 高壓快開艙整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

為了對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以在模型各部件上的相對(duì)高應(yīng)力點(diǎn)以及某些特定部位設(shè)置應(yīng)力線性化路徑，通過ANSYS軟件提供的沿路徑應(yīng)力線性化的功能，將路徑上的各類應(yīng)力區(qū)分開，并通過對(duì)不同類別應(yīng)力的評(píng)定以判斷模型是否滿足強(qiáng)度要求[4]。根據(jù)JB4732-95標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模型應(yīng)力線性化后處理的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，圖7b中的PATH1和PATH2兩條路徑的結(jié)果如表2所示。通過對(duì)各類應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)定得知，它們都滿足各自許用極限的規(guī)定。

圖7 安全排放口P

表2 接管P在設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果(K＝1，單位：MPa)

2.5 疲勞分析

根據(jù)當(dāng)前高壓干式焊接實(shí)驗(yàn)艙整體模型上出現(xiàn)的最大應(yīng)力強(qiáng)度302 MPa進(jìn)行疲勞評(píng)定，并計(jì)算其累積使用系數(shù)。在設(shè)計(jì)壓力4.0MPa下，實(shí)驗(yàn)艙整體模型最大應(yīng)力值出現(xiàn)在安全排放口P的內(nèi)壁處，其峰值應(yīng)力強(qiáng)度SV＝302 MPa，故在操作工況(0～3.8 MPa)下的交變應(yīng)力強(qiáng)度幅為：Salt＝0.5×302×3.8／4.0＝143.45 MPa，按JB4732中節(jié)C2.2計(jì)算，Salt＇＝Salt×E／Et＝143.45×210 000／203 000＝148.397 MPa，對(duì)應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)N1＝70 086次，預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)n1＝22000＜N1，故滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。同樣方法計(jì)算在水壓試驗(yàn)工況下也滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)JB4732中“C2.4.6累積使用系數(shù)U不得大于1.0”的規(guī)定，經(jīng)計(jì)算安全排放口P的累積使用系數(shù)U＝0.3151＜1.0，滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

3 結(jié)論

(1)對(duì)高壓快開艙進(jìn)行整體強(qiáng)度校核和疲勞分析，有效避免了以往模型簡(jiǎn)化后邊界局部計(jì)算結(jié)果的失真。

(2)對(duì)于快開結(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)值分析方法能夠充分考慮卡箍接觸面的接觸力學(xué)性能，從而提高了設(shè)計(jì)精度和計(jì)算速度。

(3)分析設(shè)計(jì)方法的評(píng)定結(jié)果表明，高壓干式焊接實(shí)驗(yàn)艙在計(jì)算規(guī)定條件下滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

[1]王志文.化工容器設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2]劉愛萍.齒嚙式快開裝置參數(shù)化整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2001.

[3]趙 杰，陳家慶，李 峰，等.高壓焊接試驗(yàn)艙齒嚙式卡箍鎖緊結(jié)構(gòu)有限元分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34(6)：7-10.

[4]汪黎明，趙 杰，陳家慶.高壓焊接試驗(yàn)艙封頭斜管有限元分析設(shè)計(jì)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，12(3)：54-57.

Whole fatigue analysis design about high pressure underwater welding quick-open vessels

TANG De-yu1，LV Tao2，NIU Hu-li1，LI Chun-run1，ZHAO Jie2
(1.China Petroleum Group Engineering Technology Institute，Tianjin 300451，China；2.Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

Hyperbaric underwater welding need to be carried out in the high pressure vessel.The method of analysis design is the designing trend of chemical vessels，the whole finite element model of the high pressure quick-open vessels is built using the limit element analysis software ANSYS，strength and fatigue analysis of the dangerous parts is verified according to Analytical Design Standards for Steel Pressure Vessels(JB4732-95)，in the analysis process，mechanical properties of the contact is Considered.Result shows that it satisfies the design request of the high pressure quick-open vessels working the special condition,pressure,temperature and so on.

high pressure quick-open vessels；analytical design；fatigue analysis；ANSYS

TG457.5

A

1001-2303(2011)05-0044-04

2010-06-23；

2011-02-04

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2008B-1305)

唐德渝(1961—)，男，重慶人，高級(jí)工程師，主要從事石油工程焊接技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用工作。