外壓圓筒開孔補強計算與穩性研究

尚勇志，何佳偉

（1.上海雄程海洋工程股份有限公司，上海 201306；2.江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212100）

0 引言

壓力容器已在石油、化工等行業，以及海洋工程、輕工機械、生物工程、醫療器械等領域得到廣泛的應用。但因長期使用，不同程度地受到環境影響，必然會造成容器尺寸、形狀等發生變化或容器材料性能發生變化，致使容器產生過度變形、斷裂以及泄露等現象，而喪失正常功能。

高勇等[1]以石油化工行業中廣泛應用的外壓容器為對象，利用有限元法研究了開孔率、容器厚度等參數對外壓容器失穩的影響，得出了一些有益的結論；方小里等人[2]對有接管和無接管大型薄壁外壓容器進行了非線性失穩對比分析；崔偉以外壓薄壁圓筒為對象[3]，針對筒體尺寸、材料性能以及初始缺陷（橢圓度、材料不均勻性）等，開展了其臨界壓力以及屈曲形態的影響分析，以及支座結構、開孔結構對臨界壓力和屈曲形態的影響研究。

深海可燃冰開采已成為海洋資源開發的重要內容，而可燃冰開采過程所使用的乙二醇再生與回收系統（MRU），其核心裝備包括預處理、再生及脫鹽等[4-5]。負壓閃蒸罐作為MRU 脫鹽系統中的核心部件，需要保證其在使用中的穩定性[6]。

本研究以負壓閃蒸罐為對象，采用壓力面積法和膜-彎曲應力法，進行開孔補強應力計算，并對比分析了結果的合理性，為容器設計提供了參考，提高了容器的可靠性。

1 負壓閃蒸罐結構與參數

深水氣田MRU 脫鹽系統中使用的負壓閃蒸罐由筒體和封頭組成。筒體結構如圖1 所示，該筒體幾何參數包括罐身高650 mm、直徑400 mm 和容積80 L。其筒體內可分為氣相段和液相段兩部分，其中氣相段為快速蒸發階段，含鹽乙二醇溶液在筒體內壁自上而下形成液膜，并且在高溫下蒸發；液相段為表面沸騰段，由于壓力的變化，乙二醇溶液開始沸騰，此時乙二醇溶液中一價鹽的溶解度不斷降低，并開始析出[5]。

圖1 筒體半剖視圖

根據深水氣田MRU 脫鹽閃蒸裝置運行工況，按照GB150.3-2011《壓力容器第3 部分：設計》要求進行設計和計算，負壓閃蒸罐基本設計參數見表1。

表1 容器參數表

2 開孔對筒體臨界壓力的影響

2.1 開孔筒體失穩臨界壓力

壓力容器殼體開孔后，整體強度受到削弱，同時導致開孔處結構連續性遭到破壞，造成筒體結構上的缺陷[7]，使容器承壓能力下降。因此，在壓力容器穩定性分析中，必須考慮開孔所引起的結構缺陷以及對筒體失穩臨界壓力的影響[8]。

在原有筒體模型基礎上增加徑向開孔，建立帶開孔接管筒體模型，使用ANSYS Workbench 對開孔筒體進行失穩分析，其結果如圖2 所示。

圖2 有接管筒體失穩變形

保持筒體其他尺寸不變，計算不同開孔直徑下筒體的失穩臨界壓力，結果見表2。

表2 開孔筒體臨界壓力

從表2 可知，筒體表面結構受開孔影響后，其失穩臨界壓力小于未開孔的筒體，且隨著開孔率的增大，開孔結構對筒體抗失穩能力的影響不斷增大，當開孔率達到0.4 時筒體的失穩臨界壓力降低了70.56%，說明筒體結構穩定性遭到破壞，需要對開孔應力集中區域進行補強。

2.2 壓力面積法計算結果

西德AD 規范表明壓力在殼體受壓面積上形成的載荷與有效補強范圍內的殼體、接管和補強材料的面積所具有的承載能力相平衡[9]，計算式為：

式中，Afs為殼體上開孔區有效承壓金屬面積，mm2；Afw為補強連接處凸出殼體表面焊接接頭金屬面積，mm2；Afp為補強圈截面金屬面積，mm2；Afb為接管上開孔區有效承壓金屬面積，mm2；Aps為補強有效范圍內殼體的壓力面積，mm2；Apb為補強有效范圍內接管的壓力面積，mm2；[σ]s為殼體材料許用應力，MPa；[σ]p為補強材料許用應力，MPa。

式中的應力集中系數是隨具體的開孔補強結構尺寸變化而變化的，其最大值按照第三強度設計理論來確定。計算時，當殼體、接管和補強圈的材料都相同時，則取[σ]s= [σ]p= [σ]b= [σ]

則上式可化為：

應力計算結果如下：

（1）筒體有效補強寬度

式中，δe為筒體壁厚，mm；R0為筒體半徑，mm；C為筒體偏差厚度，mm。

（2）接管外側有效補強高度

式中，C′為接管偏差厚度，mm；Rn為接管半徑，mm。

因而有：

這里，壓力面積法計算得到的應力為140.72 MPa，雖然在材料的許用應力范圍之內，但是已經非常逼近許用應力，由此可以判斷，開孔引起的應力使結構處于極限承載狀態，開孔處局部區域極有可能會存在一定程度的塑性變形。

2.3 膜-彎曲應力法計算結果

膜-彎曲應力法是由美國《ASME 壓力容器規范》最早提出，通過計算各承載區域截面上薄膜的應力，并將其控制在材料的許用應力以內，以滿足結構承載要求[10]。

除了滿足結構的一次總體及局部薄膜應力強度外，還要考慮到殼體開孔前、后壓力在接管部位的作用位置發生變化而引起的彎矩產生的彎曲應力的強度問題。按膜-彎曲應力法，應滿足薄膜應力不超過許用應力，薄膜應力與彎曲應力之和不超過1.5 倍許用應力[11]，即：

（1）薄膜應力計算

式中，As為補強圈總承載面積，mm2；Rnm為接管平均半徑，mm；Rm為筒體平均半徑，mm；tn為接管厚度，mm；te為補強圈厚度，mm。

（2）彎曲應力計算

滿足條件：

計算結果如下：

由此可知，開孔處應力過大，已超過了材料的許用應力。

3 結束語

以深海氣田MRU 脫鹽系統負壓閃蒸罐為研究對象，分別構建了開孔罐體的結構模型和有限元分析模型，并通過有限元法、壓力面積法和膜-彎曲應力法對其進行應力計算和對比分析。

分析與計算結果表明：開孔結構削弱了筒體的抗失穩能力，且隨著開孔率的增大削弱更多；計算開孔處應力時，壓力面積法是一種極限設計方法，僅考慮了開孔處的薄膜應力強度，而膜-彎曲應力法在計算時還考慮了彎矩作用下的彎曲應力，從計算結果來看，膜-彎曲應力法更加安全可靠，而采用壓力面積法進行開孔補強設計計算時，則需要留出足夠的安全裕量。