熱套式超高壓容器筒體有限元分析及優化

陳 浩，陳小敏，馬慧珍，江勝飛

（1. 西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500; 2. 西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 瀘州 64600）

熱套式超高壓容器筒體有限元分析及優化

陳 浩1，陳小敏1，馬慧珍1，江勝飛2

（1. 西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500; 2. 西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 瀘州 64600）

使用有限元軟件對雙層熱套式超高壓容器的筒體在非工作狀態和工作狀態下的應力分布進行了仿真模擬。并運用等強度理論對筒體的壁厚和過盈量進行了優化，不僅減小了過盈量，降低安裝的工作難度，也使各層筒體應力分布基本達到相等, 內筒內壁到外筒內壁相當應力的變化率明顯減小，滿足了等強度理論從而最大限度地利用筒體材料。

超高壓；筒體；應力分布；優化；有限元

在石油化工行業等領域中，工作上超過100MPa的壓力稱為超高壓，工作壓力此壓力以上的容器被稱為超高壓容器[1,2]。超高壓容器在粉末冶金、人造水晶、地質力學、航空航天、等靜壓處理等諸多領域都有著廣闊的應用空間[3,4]。超高壓容通常是在非常高的壓力水平下工作，且結構形式大都是圓筒形式，它在工作時受到三個方向的主應力分別為[5]：周向、軸向和徑向，其中以周向應力最大。周向應力沿著徑向分布極其不均勻，這種不均勻性會隨著徑比K的增加越來越大。

因此，在設計時就不能僅靠增加筒體的厚度或更換材料來保證容器的承載能力，這就需要從改變筒體結構來實現。熱套式超高壓容器的筒節之間有一定的過盈量，使筒體在使用前使筒體產生預應力，屬于有限元分析中典型的接觸非線性分析[6]。本文將分析過程分為非工作狀體和工作狀態，這樣才能真實的模擬實際的工作過程。

1 有限元模型的建立

1.1 筒體結構

本文以上海大隆機器廠設計的一個超高壓容器筒體為例[7], 設計工作壓力為500 MPa, 采用雙層熱套。內筒幾何尺寸為?180 / ?310 mm, 外筒幾何尺寸為?310 / ?450 mm, 過盈量為0.556 mm。筒體材質均為0Cr17Ni4Cu4Nb，材料力學性能見表1，筒體結構示意圖如圖 1 所示。

表1 材料力學性能Table 1 Mechanical properties of materials

1.2 建立幾何模型

高壓筒體的徑長比較大，分析類型為平面應變問題，根據對稱性用 1/4 橫截面建立計算模型[8]。

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Finite Element Analysis and Optimization of Shrunk-on Ultrahigh Pressure Vessel Shell

CHEN Hao1, CHEN Xiao-min1, MA Hui-zhen1, JIANG Sheng-fei2
（1. School Of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China 2. Southwest Oil and Gas Field in Southern Sichuan Gas Field，Luzhou 64600, China）

The stress distribution of cylinder of double-layer shrunk-on ultrahigh pressure vessel under non-working condition and working condition was simulated by using finite element analysis software. The strength theory was used to optimize wall thickness and interference of the cylinder, which not only could decrease the interference to reduce installation difficulty, but also make stress distribution of each layer of cylinder achieve equal, stress change of the inner wall, inner tube to outer tube wall could be decreased, the tube material could be saved.

Ultrahigh pressure; Shell; stress; Optimization; Finite

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0417-04

2014-09-09

陳浩（1963-），男，教授，碩士，1991年碩士畢業于原西南石油學院機械工程專業,現從事教學與科研工作，研究方向為現代設計理論和機械設備工程。E-mail：ch91668@163.com。

陳小敏（1988-），男，碩士。E-mail：chenxiaomin1988@126.com。