乙二醇蒸發(fā)器大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

陳 琦 李可為 張清華 石 瑞 李少華 蔣文春

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，壓力容器大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)越來(lái)越普遍。但開(kāi)孔后由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，開(kāi)孔和接管部位成為壓力容器的薄弱區(qū)域。薛明德等致力于研究大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，并制定了一套合理的壓力容器大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案[1]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，分析設(shè)計(jì)法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]對(duì)內(nèi)壓容器大開(kāi)孔接管補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了分析，針對(duì)目前補(bǔ)強(qiáng)方法的不足和局限性，提出了采用三維有限元數(shù)值法分析大開(kāi)孔接管補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題，并給出了具體的實(shí)施方案。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)比、分析有限元應(yīng)力分析法和壓力面積法，最后得出與壓力面積法相比，有限元應(yīng)力分析法更合理、安全且可靠的結(jié)論。

筆者采用有限元法對(duì)乙二醇蒸發(fā)器大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)和補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，并通過(guò)改變內(nèi)壓計(jì)算出該筒體所能承受的極限載荷。

1 有限元模型

某乙二醇蒸發(fā)器(圖1)的筒體內(nèi)徑為800mm、厚10mm。根據(jù)工藝要求，需在筒體上開(kāi)一個(gè)內(nèi)徑為700mm的孔，接管厚度為8mm。但根據(jù)GB 150-2011[4]的規(guī)定，此圓筒最大開(kāi)孔直徑不能超過(guò)520mm，因此需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)圈寬200mm、厚10mm。

圖1 乙二醇蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

筒體所盛介質(zhì)為易燃介質(zhì)乙二醇，設(shè)計(jì)溫度為230℃。筒體最高工作壓力為0.1MPa，設(shè)計(jì)壓力為0.2MPa。筒體主要受壓元件材料為0Cr18Ni9。在設(shè)計(jì)溫度下，廠方提供的0Cr18Ni9材料的力學(xué)參數(shù)有：彈性模量為189GPa，泊松比為0.295，許用應(yīng)力Sm=122MPa。

由于該結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，因此只需建1/2的三維模型來(lái)進(jìn)行整體模型的受力分析。用有限元軟件ABAQUS軟件建立乙二醇蒸發(fā)器三維模型，其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 乙二醇蒸發(fā)器的1/2三維模型及其網(wǎng)格劃分

根據(jù)計(jì)算要求，以內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力0.2MPa為載荷進(jìn)行計(jì)算。筒體內(nèi)表面施加0.2MPa的壓應(yīng)力時(shí)，根據(jù)力的平衡原理，右側(cè)截面施加的拉應(yīng)力為3.95MPa，上端面施加的應(yīng)力為4.32MPa。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1應(yīng)力評(píng)定與分析

圖3為乙二醇蒸發(fā)器mises應(yīng)力分布云圖，從圖3可以看出：筒體與筒體連接部位的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，產(chǎn)生了較高的應(yīng)力集中；最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在兩筒體的連接處，其值為112.2MPa。

圖3 乙二醇蒸發(fā)器應(yīng)力分布云圖

根據(jù)JB/T 4732-1995[5]對(duì)筒體與筒體連接部位進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核。應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則為：一次局部薄膜應(yīng)力PL≤1.5Sm；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb≤1.5Sm。一次總體薄膜應(yīng)力評(píng)定均合格，最大值為34.6MPa。

在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處(即應(yīng)力最大處)沿厚度方向取路徑P1進(jìn)行應(yīng)力線性化。由應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)可知：一次局部薄膜應(yīng)力PL=42.1495MPa<1.5Sm=183MPa，符合強(qiáng)度要求；一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力PL+Pb=48.0MPa<1.5Sm=183MPa，符合強(qiáng)度要求。

2.2受不同內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力評(píng)定與校核

在保證其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變內(nèi)壓計(jì)算該筒體所能承受的極限載荷。將內(nèi)壓從0.2MPa增至0.7MPa，研究應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的變化規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合(圖4)。由圖4求出滿足強(qiáng)度要求的極限載荷為0.77MPa。

圖4 應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的變化規(guī)律

3 結(jié)論

3.1內(nèi)壓為0.2MPa時(shí)，一次局部薄膜應(yīng)力為42.1MPa，一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力為48.0MPa，均滿足強(qiáng)度要求。

3.2通過(guò)改變內(nèi)壓計(jì)算得到滿足強(qiáng)度要求的極限載荷為0.77MPa。

[1] 薛明德，李東風(fēng)，黃克智. 支管外力矩作用下帶徑向接管的圓柱殼的局部應(yīng)力分析[J]. 壓力容器，2004，21(1): 18～23，33.

[2] 張紅才. 壓力容器大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].石油化工設(shè)備，2005，34(3): 24～26.

[3] 黃克敏，楊翀. 內(nèi)壓容器大開(kāi)孔接管補(bǔ)強(qiáng)分析方法的探討[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2002，24(1): 33～34.

[4] GB 150-2011，鋼制壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[5] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京: 新華出版社，1995.