多層包扎金屬壓力容器焊縫錯位角的有限元分析

王東帥，李福寶

（沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，遼寧 遼陽 111003）

1 緒論

通過查閱文獻(xiàn)可知多層包扎式金屬壓力容器的筒體與單層式筒體相比制造過程簡單，同時也不需要大型、復(fù)雜的加工設(shè)備，適應(yīng)于更多中小型企業(yè)發(fā)展；而且與單層式圓筒相比安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力，減少了脆性破壞的可能性[1]，同時包扎預(yù)應(yīng)力可有效改善圓筒的應(yīng)力分布；對介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)介質(zhì)的特性選擇合適的筒體材料[2，3]。本文通過利用Ansys 軟件進(jìn)行仿真分析實驗的方法來對金屬壓力容器部件進(jìn)行分析，得出壓力容器的校核計算，從而來獲取壓力容器多層包扎金屬筒體的最佳相鄰層板焊縫錯位角。

2 三維實體的建模以及有限元分析

多層包扎式金屬壓力容器的筒體由內(nèi)層和層板構(gòu)成，層板與層板間由縱焊縫連接而成，通過焊縫的連接會產(chǎn)生額外的預(yù)緊力，使得各個層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，從而使得筒體的連接更牢固，在受相同壓力的情況下，產(chǎn)生的形變更小，相對于單層化工反應(yīng)容器更加安全可靠。

2.1 包扎式筒體的靜力學(xué)計算

本文的多層包扎式筒體外徑Ro=250mm，內(nèi)徑為Ri=200mm，內(nèi)層筒體的厚度Sn=15mm，層板的厚度為Sw=5mm，本論文壓力容器所選的材料為Q345R，這種材料的屈服點為340MPa，是中國壓力容器制造業(yè)使用最多金屬板，這種金屬板具有良好的力學(xué)性能和制造工藝性能。其中Q354R 的抗拉強(qiáng)度σb=490MPa，屈服強(qiáng)度σS=345MPa，E=2.05×105MPa，μ=0.3。

對于圓柱殼體，由筒體外徑和筒體內(nèi)徑之比，可以得出筒體是薄壁筒體還是厚壁筒體，根據(jù)筒體的厚薄來選定合適的計算公式，由公式：

可以得出K=1.25 ＞1.2，即本文的筒體為厚壁筒體。

對于本文的多層包扎金屬壓力容器筒體而言，由于K＞1.2，故為了得出仿真實驗的準(zhǔn)確性，可采用厚壁筒體的Mises 屈服條件來進(jìn)行核算：

其中σθ—周向應(yīng)力。

σS—屈服輕度。

r—任意半徑。

Ro—外徑。

當(dāng)r=Ro時可計算最大屈服極限應(yīng)力σmaxθ=375.28MPa，可理解為此時的筒體處于塑性狀態(tài)，從而得出最大的塑性極限應(yīng)力，通過與仿真實驗的最大集中應(yīng)力進(jìn)行比較，從而得出仿真實驗的準(zhǔn)確性，同時對于筒體多層包扎筒體最佳焊縫錯位角的選擇做好理論基礎(chǔ)。

2.2 多層包扎金屬壓力容器筒體三維實體的建模

為了探究筒體每層層板間縱焊縫相差角度對筒體裂紋沿厚度方向擴(kuò)展程度的強(qiáng)弱，本文通過利用控制變量法，來研究一個數(shù)據(jù)的變化對結(jié)果所造成的影響，這樣的實驗更利于結(jié)果的準(zhǔn)確性以及工程的可行性，通過利用CAXA 三維繪圖軟件制作出了壁厚相同的9 個筒體，以此來研究每層層板縱焊縫相差角度變量與筒體產(chǎn)生集中應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系。

通過對1 到9 層板縱焊縫角度差的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，每一層是由3 塊層板均勻布置的，即每個層板所占的角度為120°，當(dāng)兩個筒體各層間的焊縫差值和為時，即筒體布置層板焊縫時會出現(xiàn)相同的布置方式。

3 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元分析

3.1 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真模擬

本文通過對多層包扎金屬壓力容器的筒體進(jìn)行了有限元分析，通過控制變量法要求施加的載荷、約束、結(jié)構(gòu)和材料特性均保持一致，而只對相鄰?fù)搀w層板間的焊縫錯位角度進(jìn)行了改變，這種分析的方法簡單，同時也利于分析數(shù)據(jù)的后期處理。

3.2 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真分析及結(jié)果后處理

本文是整體壓力容器的一部分，因此對筒體兩端采取了約束。由于筒體兩端承受約束，在受內(nèi)壓時，筒體端口出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但是由于端口應(yīng)力集中的情況，使得周圍的應(yīng)力出現(xiàn)了局部減小的狀況，又由于所選的材料具有一定的彈性，中間位置出現(xiàn)了彈性變形，故在加壓時整個筒體在放大的情況下，外形呈現(xiàn)出端口小，中間大的特性，對比幾個圖可以清楚的看到筒體相鄰層板焊縫錯位15°和105°時，出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況較為嚴(yán)重，由材料力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)在失效時，首先失效的是應(yīng)力集中區(qū)，故本實驗只考慮最大應(yīng)力與相鄰層板焊縫錯位角度的關(guān)系。為了得出最優(yōu)的相鄰層板焊縫錯位角度，通過對這9 組實驗進(jìn)行總結(jié)分析得出了相鄰層板焊縫錯位角度與應(yīng)力關(guān)系圖，見圖1、圖2。

圖1 相鄰層板焊縫錯位角度與最大應(yīng)力關(guān)系圖

從圖1 可以看出，該圖形關(guān)于60°對稱，在相鄰層板焊縫錯位角度為0°、30°、60°、90°、120°處最大應(yīng)力取得最小值，最小值的范圍在308MPa 左右小于最大塑性極限應(yīng)力，而取得最大值在15°和105°處，此處取值為336MPa 小于最大塑性極限應(yīng)力，說明多層包扎筒體在受內(nèi)壓的情況下，滿足筒體的應(yīng)力要求，同時也優(yōu)于單層筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時從圖1 中可以清楚的看出，圖形有五個最低點處，即在控制變量法的條件下，多層包扎筒體相鄰層板焊縫錯位角度在這五個值附近所產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小，從對稱的角度來分析，0°和120°、30°和90°這兩組的結(jié)構(gòu)是一致的，因此在0°—90°滿足最優(yōu)解的有三個：0°、30°、60°。這一點對于加工一層由三塊層板組成的多層包扎筒體而言具有重要的參考價值，即在加工制造的過程，應(yīng)該注意相鄰層板焊縫的錯位角度，利用同樣的條件，產(chǎn)生最大的使用效率。

上述的實驗進(jìn)行了結(jié)果后處理得到了相鄰層板焊縫錯位角度與位移關(guān)系圖，見圖2。

圖2 相鄰層板焊縫錯位角度與最大位移關(guān)系圖

圖2 中圖形成一個“W”型，關(guān)于60°對稱，在0°、60°和120°位移取得最大值，即在受相同內(nèi)壓的情況下結(jié)構(gòu)變形最為嚴(yán)重，而在相鄰層板焊縫錯位15°、30°、45°、70°、90°、105°處，位移變形大約在0.1983mm處，相對筒體直徑而言，筒體的整體位移變形屬于微變形，如果以筒體的最大位移來衡量相鄰層板焊縫錯位角，這種措施相對于用集中應(yīng)力來衡量筒體相鄰層板焊縫錯位角較為不足。

4 結(jié)論

本文通過利用三維畫圖軟件繪制出了相鄰層板焊縫錯位角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°九組多層包扎金屬壓力容器筒體，其中每層筒體由3 塊層板焊接而成（最內(nèi)層除外），利用控制變量法將約束、載荷、結(jié)構(gòu)和材料特性保持一致，從而在ANSYS有限元仿真分析中得出了只有自變量相鄰層板焊縫錯位角對仿真實驗的影響。如果只考慮載荷作用下應(yīng)力集中的問題，通過有限元仿真計算所選的相鄰層板焊縫錯位角應(yīng)該在0°、30°、60°附近較為合適；如果將筒體應(yīng)力集中問題和位移變化問題結(jié)合到一塊篩選的話，那么相鄰層板焊縫錯位角在30°附近對于多層包扎筒體加工而言將會是最優(yōu)角度。