容器表面不同角度雙凹坑干涉效應及安全評定

李 響，王茂廷

容器表面不同角度雙凹坑干涉效應及安全評定

李 響，王茂廷

（遼寧石油化工大學機械工學院， 遼寧 撫順 113001）

凹坑缺陷的存在，導致應力集中，產生局部峰值應力, 壓力容器強度降低。針對這一現象展開分析計算，利用有限元 ANSYS軟件計算其最大應力，并分析不同角度凹坑缺陷間的應力集中干涉效應對壓力容器的影響，并對其進行安全評定。

凹坑；壓力容器；有限元； 干涉效應；安全評定

凹坑缺陷是常見的一種典型體積缺陷。凹坑的存在減低了容器壁厚，在其周圍產生應力集中現象，造成局部出現峰值應力。筆者通過ansys13.0軟件，對壓力容器上排列角度不同的缺陷進行有限元分析,應力集中現象進行研究和安全評定［1,2］。

1 凹坑的分析

1.1 模型確定

圖1 雙凹坑角度示意圖Fig.1 Double pits arranged in angle

通常壓力容器和管道的形狀為筒形結構，由于筒體的形狀結構特點，軸向方向和環向方向所受的拉力不同。經過研究，軸向排列的雙凹坑對筒體應力集中作用起增強效應，環向排列的雙凹坑對筒體應力集中作用起減弱效果。因此，本文重點研究凹坑間排列角度因素對應力分布及應力集中效應的影響。圖 1為雙凹坑間排列角度示意圖[3]，凹坑與軸線方向的夾角為α。簡化凹坑為球型凹坑，雙凹坑模型尺寸均為半徑R。

1.2 建立模型

筒體容器主要參數如表1所示[2]。

表1 模型參數Table 1 Model parameters

根據環向薄膜應力計算公式

軸向應力

環向應力

環向應力是軸向應力的2倍，為安全起見選擇加大的應力，即環向應力。初定模型的參數為表1所示。淺球型凹坑缺陷尺寸為長短軸為15 mm，深度為4 mm;采用SOLID186實體單元，由于結構的對稱性可以取四分之一筒體進行分析，劃分網格如圖2所示。

圖2 單凹坑的網格模型圖Fig.2 The finite element calculation model of single pit

2 不同的排列角度的雙凹坑的應力分布

在壓力容器設備中，常常在局部形成密集凹坑群，因此凹坑群的應力分布和應力集中的干涉效應[4]受額外關注。本文主要分析雙凹坑模型尺寸為半徑 R=15 mm、深度Z=4 mm的淺球形凹坑，取雙凹坑相對間距L/R=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0，使凹坑間排列角度為α=0°、30°、45°、60°、90°，分析凹坑間不同的排列角度對應力分布及不同相對間距凹坑應力集中的影響[4]。

2.1 不同角度的雙凹坑的應力分析

利用有限元 ANSYS軟件對含有不同角度排列的雙凹坑的壓力容器分別進行模擬靜力分析，其應力云圖如圖3-5。

由應力云圖3-5可以看出，最大應力位于凹坑底處以及雙凹坑連接處。凹坑的存在會在壓力容器表面產生局部結構不連續，從而產生應力集中現象，對壓力容器安全極為不利，根據《應力集中系數》[5]可知：

式中:Kσ——應力集中系數；

σmax——最大正應力，MPa ;

σn——名義正應力，MPa 。

通過計算得出排列不同角度的雙凹坑最大主應力和應力集中系數，為了便于觀察計算把結果列入表2中。

圖3 排列角度為30°的雙凹坑應力云圖Fig.3 Stress cloud of 30 angles arranged double pits

圖4 排列角度為45°的雙凹坑應力云圖Fig.4 Stress cloud of 45 angles arranged double pits

圖5 排列角度為60°的雙凹坑應力云圖Fig.5 Stress cloud of 60 angles arranged double pits

通過計算結果繪制出凹坑角度與應力集中系數的關系圖。通過圖6可清晰的分析出，當凹坑間距一定且L/R≤4時，應力集中系數隨凹坑排列角度的增加逐步減小。當凹坑排列角度為α=0°（軸向排列）時，應力集中系數最大；當凹坑排列角度為α =90°（環向排列）時，應力集中系數最小。因此可知，凹坑排列角度趨于軸向排列時，對應力集中系數起增強作用；凹坑排列角度趨于環向排列時，對應力集中系數起減弱作用。當凹坑排列角度趨于0°時凹坑的干涉作用越強，當凹坑排列角度接近α =45°附近時，凹坑角度因素對應力集中效應的干涉作用最小。通過圖7還可以分析出，凹坑的相對間距L/R越近，角度干涉效應越強，隨著凹坑間距L/R的增加角度因素的干涉影響也隨之減弱。

表2 凹坑不同角度排列時最大應力及應力集中系數Table 2 The maximum stress and stress concentration coefficient when pits arranged in different angles

圖6 凹坑排列間距一定時角度與應力集中系數關系圖Fig.6 The relationship between different angles and stress concentration coefficient

圖 7 凹坑角度一定時相對間距與應力集中系數關系圖Fig.7 The relationship between relative distance and stress concentration coefficient

3 安全的評定

根據GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的規定，當存在兩個以上的凹坑時，應分別按單個凹坑進行規則化并確定各自的凹坑長軸。若規則化后相鄰兩凹坑邊緣間最小距離k大于較小凹坑的長軸 2X2，則可將兩個凹坑視為互相獨立的單個凹坑分別進行評定[6]。否則，應將兩個凹坑合并為一個半橢球凹坑來進行評定，該凹坑的長軸長度為兩凹坑外側邊緣之間的最大距離，短軸長度為平行于長軸且與兩凹坑外緣相切的任意兩條直線之間的最大距離，該凹坑的深度為兩個凹坑的深度的較大[7,8](圖8)[3]。

圖8 多個凹坑表征示意圖Fig.8 Schematic characterization of pits defect

4 結 論

（1）凹坑缺陷的存在，導致應力集中，產生局部峰值應力, 因此對凹坑缺陷要引起足夠的重視。

（2）當兩凹坑排列角度越趨于軸向排列時，對應力集中效應起增強作用，應力集中系數大于單凹坑應力集中系數；當兩凹坑排列角趨于環向排列時，對應力集中效應起減弱作用。凹坑相對間距對凹坑角度的干效作用有影響，凹坑間距越近其角度干涉作用越強。

（3）凹坑間的干涉作用都和凹坑間相對距離有關，隨凹坑間距的增加，凹坑間干涉效應減弱。當凹坑間距L/R=4時，凹坑間的干涉作用很小。

（4）當凹坑排列角度趨于 0°時凹坑的干涉作用最強，隨著角度的增加干涉作用逐漸減弱，趨近45°時干涉作用比較小。

（5）根據GB 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》將上述五種情況進行安全評定。凹坑相對間距L/R=2.0時容器處于危險，可能泄露，需停工維修；其余含凹坑缺陷容器雖然含有缺陷但仍然安全，可以安全使用。

［1］余偉煒，高柄軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］ 高宇,王茂廷,林國慶,海軍. 基于ANSYS的壓力容器表面雙凹坑干涉效應分析[J]. 當代化工,2011,09:975-977.

［3］ 國家技術監督局.GB/T 19624-2004在用缺陷壓力容器安全評定[S].北京：中國標準出版社，1998.

［4］ 王炯華,楊鐵成.淺球形雙凹坑或多凹坑對應力集中的增強效應[J].實驗力學,1994,9(3)：270-271.

［5］ 彼德森RE,著.應力集中系數[M].楊樂民，葉道益,譯北京:國防工業出版社,1988.

［6］ 彭劍,周昌玉,薛吉林,代巧. 含多局部減薄缺陷壓力管道的安全評定方法討論[J]. 壓力容器,2010(05):21-25+9.

［7］ 徐尊平,程南璞,雷斌隆,陳志謙. 壓力鋼管表面凹坑缺陷的安全評定[J]. 焊接學報,2007(08):62-64+116.

［8］ 金仁良,周昌玉,王波,彭劍. 內壓作用下含雙外凹坑缺陷壓力管道的評定方法研究[J]. 壓力容器,2012(01):52-57.

Interferential Effect of Pits With Different Angles on Pressure Vessels and Safety assessment

LI Xiang，WANG Mao-ting
（College of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The existence of pit defects leads stress concentration and produces the local peak stress to decrease strength of pressure vessels. In this paper the finite element analysis software ANSYS was used to calculate the maximum stress .The influence of interference effects of stress concentration of pits with different angles on pressure vessels was analyzed, and safety assessment was carried out.

Pit；Pressure vessel；Finite element；Interferential effect; Safety assessment

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）04-0825-04

2014-11-14

李響（1988-），男，遼寧朝陽人，碩士研究生，2015年畢業于遼寧石油化工大學化工過程機械專業，研究方向：含凹坑容器安全評定。E-mail：57681324@qq.com。