開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)中法蘭結(jié)構(gòu)對(duì)模型的影響

呂明，李成龍，馮敏

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)中法蘭結(jié)構(gòu)對(duì)模型的影響

呂明，李成龍，馮敏

（中國(guó)石油撫順石化公司烯烴廠， 遼寧 撫順 113001）

在壓力容器大開(kāi)孔計(jì)算中,常常使用有限元方法，傳統(tǒng)有限元模型只考慮到接管對(duì)補(bǔ)強(qiáng)的影響,結(jié)果相對(duì)保守。在低壓大開(kāi)孔計(jì)算中法蘭結(jié)構(gòu)常常起到加強(qiáng)接管補(bǔ)強(qiáng)的作用。對(duì)不同厚度下的無(wú)法蘭與帶法蘭模型進(jìn)行了有限元計(jì)算和比較，并總結(jié)了接管伸出長(zhǎng)度對(duì)帶法蘭模型的影響。

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；有限元計(jì)算模型；接管伸出長(zhǎng)度；法蘭力矩

隨著石油化工行業(yè)的大型化發(fā)展，大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在壓力容器中越來(lái)越常見(jiàn)。傳統(tǒng)等面積補(bǔ)強(qiáng)法已經(jīng)不適合大開(kāi)孔的計(jì)算。使用應(yīng)力分類法越來(lái)越得到認(rèn)可。其中有限元方法的迅速發(fā)展得到了設(shè)計(jì)人員的普遍使用。在使用有限元方法前，首先是對(duì)模型的簡(jiǎn)化［1］。在大開(kāi)孔計(jì)算中，存在兩種模型的簡(jiǎn)化，一種是參照等面積法，只考慮到補(bǔ)強(qiáng)面積的接管材料對(duì)開(kāi)孔的作用，另一種是考慮整個(gè)接管模型對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的作用。第一種方法模型簡(jiǎn)單，求解方便，但是某種程度上對(duì)開(kāi)孔模型簡(jiǎn)化得過(guò)于簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果可能較保守；第二種方法考慮了全部計(jì)算模型，真實(shí)地求得了開(kāi)孔處的應(yīng)力分布，但是模型復(fù)雜。下文著重討論了兩種模型的對(duì)比。

1 計(jì)算模型及方案設(shè)計(jì)分析

1.1 模型參數(shù)

假設(shè)某圓筒直徑1 000 mm，在筒體上開(kāi)500 mm的孔，具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1和表2，分別對(duì)其在不帶法蘭和帶法蘭情況下的變形進(jìn)行討論。

1.2 方案設(shè)計(jì)

（1）模型和網(wǎng)格

由模型的結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，取結(jié)構(gòu)1/4建立模型。網(wǎng)格劃分采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元。不帶法蘭結(jié)構(gòu)和帶法蘭結(jié)構(gòu)的模型見(jiàn)圖1［2］。

表1 筒體及接管參數(shù)表Table 1 Cylinder and tube parameters list

表2 法蘭數(shù)據(jù)參數(shù)表Table 2 Flange data list

圖1 兩種力學(xué)模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Two kinds of mechanical model and meshing

（2）邊界條件

簡(jiǎn)化模型邊界條件為：

（a）位移邊界：

在1/4對(duì)稱截面處分別施加對(duì)稱約束；

（b）力邊界：

不帶法蘭結(jié)構(gòu)在接管端面施加等效面力；

帶法蘭結(jié)構(gòu)在法蘭端面分別施加螺栓力和墊片反力；

1.3 計(jì)算結(jié)果討論

兩種模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2-3。在第一種情況下，模型在受到內(nèi)壓的作用下向外膨脹，且接管在等效拉應(yīng)力的作用下把筒體外拉。由于接管端面無(wú)位移約束，且無(wú)剛性加強(qiáng)，因此接管端面變形較大，最終接管端面呈現(xiàn)為橢圓形［3］。在這種變形下，使得接管和筒體交界處開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象更加突出。且接管出現(xiàn)的橢圓形違背了實(shí)際情形下的接管端面變形形狀。使得計(jì)算應(yīng)力偏大，最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果區(qū)域保守。

對(duì)帶法蘭結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型分析計(jì)算得到，由于法蘭結(jié)構(gòu)對(duì)接管端面剛性的加強(qiáng)，接管端面存在很小的變形，筒體橫向剖分面外凸、軸向剖分面內(nèi)凹的變形會(huì)小很多，這樣就使得接管和筒體相交處的應(yīng)力集中趨于緩和，更能得到準(zhǔn)確的應(yīng)力分布。

圖2 兩種模型橫后剖面上應(yīng)力云圖比較Fig.2 Comparing the stress cloud profile cross of two models

2 法蘭模型伸出長(zhǎng)度對(duì)接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的影響

上節(jié)主要考慮了法蘭的作用對(duì)接管的影響，得到的結(jié)論是法蘭的作用能大大減緩應(yīng)力集中。本節(jié)主要討論了不同伸長(zhǎng)接管條件下，法蘭的作用。

圖3 兩種模型頂部應(yīng)力云圖比較Fig.3 Comparing the top stress cloud of two models

不同接管伸出長(zhǎng)度的法蘭模型應(yīng)力線性化如圖4所示。

圖4 不同伸出長(zhǎng)度下法蘭模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Stress calculations of model with flange under the conditions of different nozzle length

從圖 4可以看出,當(dāng)接管外伸較小時(shí),法蘭的剛性作用對(duì)接管補(bǔ)強(qiáng)效果表現(xiàn)的較明顯，值得注意的是，此處的接管外伸長(zhǎng)度至少要保證按照等面積補(bǔ)強(qiáng)條件下的接管外伸長(zhǎng)度。

隨著接管長(zhǎng)度的增加，法蘭的剛性效果越來(lái)越小直到不起作用。這是因?yàn)榻庸艿纳扉L(zhǎng)一方面起到了補(bǔ)強(qiáng)面積的作用，另一方面也起到了增強(qiáng)剛性的作用，當(dāng)接管外伸達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)力大小基本不變［4］。

3 結(jié) 論

（1）從帶法蘭和不帶法蘭模型的計(jì)算分析得出，帶法蘭模型情況下更能準(zhǔn)確的體現(xiàn)筒體和開(kāi)孔處應(yīng)力分布情況，不帶法蘭結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算結(jié)果顯得比較保守。

（2）接管伸出長(zhǎng)度對(duì)法蘭作用的影響，在外伸長(zhǎng)度較小的情形下，法蘭的作用很明顯，隨著外伸長(zhǎng)度的不斷加大，法蘭的作用慢慢降低，逐漸不起作用。

（3）分析發(fā)現(xiàn)在接管厚度較薄時(shí)，法蘭的作用明顯，隨著接管厚度不斷加大，法蘭起到的剛性作用逐漸減小以至于忽略。

（4）建議在分析大開(kāi)孔時(shí)，建立完整的計(jì)算模型，從而得到準(zhǔn)確的應(yīng)力分布，最終得出合理的設(shè)計(jì)結(jié)論。

［1］ 梅林濤，壽比南. 法蘭對(duì)壓力容器接管有限元結(jié)果影響的研究[J].壓力容器，2001，18（9）：150-152.

［2］ 秦富友，杜四宏. 壓力容器開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定[J]. 化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2011，40（7）: 52-54.

［3］ 余偉煒，高炳軍. ANSYS在機(jī)械與化工設(shè)備中的應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［4］ JB 4732-1995, 鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Impact of the Flange on Opening Reinforcement Calculation Model

LV Ming，LI Cheng-long，F(xiàn)ENG Min
（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Factory, Liaoning Fushun 113001, China）

Calculation of large opening for the pressure vessel often uses the finite element method; the conventional finite element model only considers the impact of nozzles on the reinforcement, so the result is conservative. The flange structure in low pressure large opening calculations can often strengthen the reinforcement role of nozzles. In this paper, finite element calculation and comparison of models without flange or with flange under different thickness were carried out; influence of nozzle’s length on the model with flange was investigated.

Opening reinforcement; Finite element model; Tube extended length; Flange torque

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）04-0850-02

2015-02-12

呂明（1987-），男，遼寧撫順人，助理工程師，碩士學(xué)位，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，研究方向：從事化工生產(chǎn)技術(shù)工作。E-mail：lnfslvming@163.com。