H2S壓力容器結構不連續區的應力強度分析與評定

楊 雄，佟 健，帥玉妹

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

H2S壓力容器結構不連續區的應力強度分析與評定

楊 雄，佟 健，帥玉妹

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

利用有限元分析軟件Ansys對OWC-4060A水泥石腐蝕測試儀中H2S壓力容器，在不同壓力、不同溫度條件下的結構不連續區進行應力強度分析與評定。結果表明，當壓力容器只承受壓力變化或只有溫度變化引起的熱應力時，最大應力強度主要集中在筒體與封頭錐角過渡處;當壓力和溫度同時變化時，最大應力強度主要集中在接管與封頭焊接圓角處。另外，相對于溫度變化，壓力變化對H2S壓力容器的正常工作產生的影響更大。

H2S壓力容器；結構不連續區；Ansys分析；應力強度

OWC-4060A水泥石腐蝕測試儀通過模擬井下溫度和壓力等作業環境，用H2S氣體對固井水泥石進行耐腐蝕性試驗，可以對各種水泥石的抗H2S腐蝕能力進行評價。利用該儀器進行試驗時，需要進行加壓、加熱操作，而儀器內部儲存有高濃度的H2S氣體，若這些氣體發生泄漏會污染環境并可能導致操作人員中毒。過去，設計壓力容器一般采用基于彈性失效準則的規則設計(DBF)方法[1],該方法簡單易行,但不能分析壓力容器圓角過渡等部位的應力集中的情況。隨著應力分析技術的發展和對材料破壞行為研究的深入，以彈塑性失效為基礎的分析設計(DBA)[2]為壓力容器的合理設計提供了一種新的方法，其中，國內外研究者已經運用Ansys對壓力容器結構不連續區的應力狀況進行了研究[3-4]。下面，筆者應用大型有限元分析軟件Ansys對H2S壓力容器結構不連續區的應力強度進行分析與評定，為該壓力容器的設計提供指導。

圖1 H2S壓力容器結構示意圖

1 H2S壓力容器幾何模型

H2S壓力容器結構如圖1所示。開口半徑R1=400mm，接管壁厚T1=60mm，接管高度H1=400mm，封頭內半徑R2=1600mm，封頭壁厚T2=80mm，錐形段斜邊傾角α=75°，錐形段長度H2=250mm，筒體內半徑R3=1555mm，筒體厚度T3=160mm，錐形段與筒體鍛造高度H3=1500mm，接管與封頭焊接圓角R4=120°，接管內壁倒圓角R5=30°，材料為哈氏合金C-276，設計壓力P=20MPa，設計溫度100℃，設計許用應力Sm=156.67MPa,彈性模量E=2.05×105MPa,泊松比μ=0.3,壓力容器接管與封頭采用焊接結構。

2 有限元模型的建立及分析

圖2 H2S壓力容器有限元模型壓力評定點和應力路徑圖

首先引入2個假設：壓力容器材料連續、均勻且各向同性；沒有焊接缺陷。由于該壓力容器結構和載荷均具有軸對稱性，為了方便計算，使結果容易收斂，分析時可建立四分之一模型，然后對該壓力容器分別進行結構、穩態熱及熱-結構耦合應力分析。進行結構、穩態熱應力分析時分別選取PLANE82單元(2維8節點結構實體單元)和PLANE77單元(2維8節點熱實體單元)，進行熱-結構耦合應力分析時采用間接法[5]，先進行穩態熱應力分析，再進行結構應力分析。采用自適應法劃分網格，并對壓力容器焊接處、錐角過渡處進行局部網格細化，使求解更加準確。圖2所示為H2S壓力容器有限元模型壓力評定點和路徑圖。

2.1 邊界約束條件及載荷

進行結構應力分析時，分別對H2S壓力容器的接管上端端頭和筒體底端施加對稱位移約束，筒體和接管內表面施加設計壓力P。進行穩態熱應力分析時，考慮到熱傳遞的3種形式，分析時以對流傳熱為主，其載荷主要是H2S壓力容器接管、封頭和圓筒內外兩側的對流傳熱，并將其作為面載荷分別施加到圓筒接管、封頭和圓筒內外兩側，從而確定H2S壓力容器單元節點的溫度，然后再將其作為體載荷施加到每個節點，從而得出其熱應力。在進行熱-結構耦合應力分析時，由于穩態熱應力分析和結構應力分析的單元類型不一樣，在完成穩態熱應力分析并得到單元節點溫度分布后，必須對單元類型進行轉換，讀取已經生成的單元節點溫度并作為體載荷施加到對應的節點上，然后再施加結構應力分析邊界約束條件及載荷。

2.2 計算結果與分析

根據第三強度理論，采用點處理法和線處理方法，分別在不同壓力(10、15、20、25、30MPa)和不同溫度(50、80、100、120、150℃)條件下，對H2S壓力容器的結構不連續區的應力強度進行分析與評定。采用點處理法時，分別在H2S壓力容器封頭與接管焊接圓角過渡處和筒體與封頭錐角過渡處的內側(inside)和外側(outside)取4個點(分別為A_A inside點、A_A outside點、B_B inside點、B_B outside點)，并對這4個點的應力強度進行分析與評定(見圖2)。采用線處理法時，分別取壓力容器封頭與接管焊接的圓角過渡處的內側點和外側點連接成A_A路徑，筒體與封頭錐角過渡處的內側點和外側點連接成B_B路徑，并對2條路徑上的應力強度進行分析與評定。

1)4個點與2條路徑上壓力與應力強度關系 4個點上壓力與應力強度關系如圖3所示。由圖3可知，隨著壓力的增大，4個點上的應力強度也隨著增大，同時在壓力相同的情況下，A_A inside點和B_B inside點應力強度均在其對應A_A路徑和B_B路徑上為最大。其中，當壓力達到25MPa時，A_A inside點和B_B inside點應力強度均超過1.5Sm[6],說明H2S壓力容器上的4個點在該壓力及該壓力以上的應力強度都超過許用應力范圍，但這只能反映4個點上的應力強度，并不能說明其所在路徑上的應力強度是否超出了許用應力范圍。為了進一步了解其所在路徑上應力強度的變化情況，分析了2條路徑上壓力與一次薄膜應力強度關系(見圖4)。由圖4可知，隨著壓力的增大，2條路徑上的應力強度也隨著增大，并且在壓力相同的情況下， A_A路徑上的應力強度最大，其中當壓力達到30MPa時，只有A_A路徑上的一次薄膜應力強度超過1.5Sm。上述分析說明，H2S壓力容器最大應力強度產生在筒體與封頭錐角過渡處的內側，應力強度最大截面位于封頭與接管焊接圓角過渡處。

2)4個點與2條路徑上溫度與應力強度關系 4個點上溫度與應力強度關系如圖5所示。由圖5可知，隨著溫度的升高，4個點上的應力強度也隨著增大，而在溫度相同的情況下，B_B inside點、B_B outside點均比A_A inside點、A_A outside點的應力強度大，并且在150℃時，B_B inside點應力強度超過了1.5Sm，說明該點的應力強度超過了許用應力范圍。為了進一步了解其所在路徑上應力強度的變化情況，分析了2條路徑上溫度與一次薄膜應力強度關系(見圖6)，從圖6可以看出，由溫度變化引起的一次薄膜應力在A_A路徑和B_B路徑上較小，均未超過1.5Sm。上述分析說明，不同壓力條件下產生的一次薄膜應力要遠大于不同溫度條件下產生的一次薄膜應力。由此可知，溫度變化對H2S壓力容器應力強度的改變影響較小。

圖3 4個點上壓力與應力強度關系圖 圖4 2條路徑上壓力與一次薄膜應力強度關系圖

3)4個點與2條路徑上壓力和溫度同時變化條件下的應力強度 A_A inside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖7所示。由圖7可知，當溫度一定時，A_A inside點應力強度隨壓力的增大而增大；當壓力一定時，A_A inside點應力強度隨溫度的升高而減小，并且在50℃和25MPa、120℃和30MPa、80℃和30MPa、100℃和30MPa的情況下應力強度均超過了1.5Sm。A_A outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖8所示。由圖8可知，A_A outside點應力強度隨壓力增大、溫度升高而增加，并且在50℃和30MPa、80℃和25MPa、100℃和25MPa、120℃和20MPa、150℃和15MPa的情況下應力強度均超過了1.5Sm。B_B inside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度圖如圖9所示。由圖9可知，只有在30MPa和50℃時，B_B inside點應力強度超過了1.5Sm。B_B outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖10所示。由圖10可知，隨著壓力增加和溫度升高，B_B outside點應力強度也隨著增加，只有在30MPa和100℃、25MPa和120℃、15MPa和150℃時應力強度超過了1.5Sm。

圖7 A_A inside點在壓力和溫度同時變化 圖8 A_A outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度關系圖 條件下應力強度關系圖

A_A路徑在壓力和溫度同時變化條件下的一次薄膜應力強度如圖11所示。由圖11可知，隨壓力的增大(溫度相同條件下)，A_A路徑上的一次薄膜應力強度也增大，當壓力達到30MPa時(任意溫度條件下)，一次薄膜應力強度均超過了1.5Sm，隨著溫度升高(壓力相同條件下)，A_A路徑上的一次薄膜應力強度反而降低。B_B路徑在壓力和溫度同時變化條件下的應力強度如圖12所示。由圖12可知，隨著壓力增大和溫度升高， B_B路徑中一次薄膜應力強度也隨著增大，但均未超過1.5Sm。上述分析說明，最大應力強度發生在接管與封頭焊接圓角處。

圖9 B_B inside點在壓力和溫度同時變化 圖10 B_B outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度關系圖 條件下應力強度關系圖

圖11 A_A路徑在壓力和溫度同時變化條件下的 圖12 B_B路徑在壓力和溫度同時變化條件下一次薄膜應力強度關系圖 的一次薄膜應力強度關系圖

3 結 論

1)不同壓力條件下產生的一次薄膜應力要遠大于不同溫度條件下所引起的一次薄膜應力，這說明壓力變化對H2S壓力容器的正常工作起著重要影響。

2)當壓力容器只承受壓力變化或只有溫度變化所引起的熱應力時，最大應力強度主要集中在筒體與封頭錐角過渡處；當壓力和溫度同時變化時，最大應力強度產生在接管與封頭焊接圓角處。

[1]GB150-1998,鋼制壓力容器[S].

[2]JB4732-1995,鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

[3]李蓉.橢圓封頭與筒體連接處不連續應力分析[J].化工設計通訊，2006,32(2):28-31.

[4]Schindler S, Zem an J L. Stress concentration factors of nozzle-sphere connections[J].Interna tional Journal of Pressure Vessels and Piping, 2003, 80: 87-95.

[5]張國智,胡仁喜.ANSYS 10.0熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社,2007.

[6]吳粵燊.壓力容器安全技術手冊[M].北京：機械工業出版社,1999.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.040

TQ053.2

A

1673-1409(2012)10-N127-04