基于Ansys Workbench的水壓壓力試驗裝置的靜力學分析*

劉 源，雷澤勇，鐘 林，張清華，孟文東

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

地浸采鈾是一種于1958年提出的鈾資源開采技術，并得到了廣泛應用[1]。根據地浸采鈾礦山的地質環境，鉆孔平均深度為430 m[2]，浸出液深度約有300 m，在最低位處的水壓約為3 MPa,在地浸采鈾生產過程中，會將相關設備及元器件放入開采井中，因此在設備及元器件在放入開采井之前開展相關的耐水壓實驗是十分有必要的。

水壓壓力試驗裝置主要為各種設備及元器件提供水壓測試環境[3]，國內、外對此也展開的了大量的研究工作，美國國家鍛造公司已具備生產100 MPa壓力罐的制造能力，我國的上海交通大學也研制出了可實現40 MPa環境壓力的試驗裝置，其內徑為1 m[4]。但是大多數水壓模擬裝置尺寸都較大，對實驗場地有較高的要求。筆者針對地浸采鈾開采井生產中所需要的設備研發設計一種小型的水壓壓力試驗裝置，并利用Ansys Workbench對關鍵部件(壓力容器)進行靜力學分析，確保壓力容器設計的可行性和安全性。

1 水壓壓力試驗裝置的基本結構和工作原理

1.1 水壓壓力試驗裝置的基本結構

水壓壓力試驗裝置結構如圖1所示，該裝置主要由上法蘭蓋1、管法蘭2、設備連接座3、無縫鋼管4、壓力入口5。

圖1 水壓壓力試驗裝置

1.2 水壓壓力試驗裝置的工作原理

水壓壓力試驗裝置先利用通過液壓管路將壓力傳遞至壓力入口1到達壓力容器內部，使整個內部環境壓力達到試驗壓力，達到試驗壓力后，壓力容器中的無縫鋼管4用來保持整個壓力容器的內部壓力維持在試驗壓力，因此承受內壓。設備連接座3主要保護測試設備及元器件電氣接口處的密封性，鋼管內部壓力必須與壓力容器中的壓力腔隔離，因此主要承受的外壓。

2 無縫鋼管參數的計算確定

2.1 內壓無縫鋼管的參數的計算確定

由于無縫鋼管5主要承受內壓屬于壓力容器，需按照GB/T150-2011《壓力容器》的要求來確定無縫鋼管5的規格參數。已知條件為：工作壓力P=3 MPa，鋼管外徑為Do=219 mm，長度為1 500 mm。無縫鋼管選擇流體運輸用不銹鋼無縫鋼管(GB/T14976-2012)，材料牌號為06Cr19Ni10。該裝置的工作最大壓力P=3 MPa，取安全系數為1.3，得到設計壓力Pc=1.3×3=3.9MPa，取整后設計壓力Pc=4 MPa；由于地浸采鈾礦井的平均深度有430 m，通過查閱相關文獻[5]，地下0～1 000 m范圍內水的溫度在0～25 ℃，取試驗工作溫度范圍為0～25 ℃，當材料為06Cr19Ni10時，查文獻[6]得到該材料在設計溫度下的許用應力[σ]t=137 MPa，該無縫鋼管與法蘭蓋采用的焊接方式為單面焊對接焊，采用局部無損檢測，焊接接頭系數φ=0.8，則鋼管計算厚度δc為：

(1)

將數據代入公式(1)得到無縫鋼管的壁厚約為3.92 mm，向上取整為4 mm，加上鋼板的腐蝕余量C1=1.5 mm,則無縫鋼管的設計壁厚δd為：

δd=δc+C1=4+1.5=5.5 mm

(2)

由于鋼管在生產過程中會存在制造公差，按照GB/T14976-2012取負偏差C2=0.75 mm，選定無縫鋼管的名義厚度δ為7 mm，則得到的外壓無縫鋼管的規格參數如表1所列。

表1 無縫鋼管參數 /mm

2.1 外壓無縫鋼管參數的校核計算

外壓無縫鋼管管內放有耐壓水密連接器、設備電氣接口及電纜，由于內部空間的限制，外壓無縫鋼管的規格參數如表2所示。

承受外壓的無縫鋼管的失效形式主要分為強度失效和失穩，因此有必要對受外壓的無縫鋼管按照文獻[7]的方法進行校核，首先判讀該外壓無縫鋼管是否為短圓筒；長度L若小于臨界長度Lc則為短圓筒否則為長圓筒。其臨界長度計算公式為:

(3)

表2 無縫鋼管參數 /mm

其中鋼管外徑Do=42 mm，壁厚δ=5 mm，有效厚度δe等于壁厚減去腐蝕余量C1和制造負偏差C2，腐蝕余量C1取值為1.5，制造負偏差C2按照GB/T14976-2012的要求取值為0.625，則有效厚度δe=δ-C1-C2=5-1.5-0.625=2.875 mm，將數據代入公式(3)中得到Lc=187.82 mm，長度L=220 mm大于Lc，則該外壓無縫鋼管為長圓筒；確定為長圓筒后依照公式(4)判斷其是否為彈性失穩。其滿足彈性失穩的判定公式為：

(4)

其中設計溫度下的許用應力為[σ]t=137 MPa，彈性模量E=204 000 MPa，將數據代入公式(4)后，其結果不滿足彈性失穩的條件后按照GB150的圖算法對齊校核，求出其許用壓力值[P]。其許用壓力公式為：

(5)

外壓計算應力系數B=147 MPa，求得許用壓力[P]=10.06 MPa大于實際試驗壓力3 MPa，滿足設計要求。

3 水壓壓力試驗裝置關鍵零部件靜力學分析

水壓壓力試驗裝置中，承受內壓和外壓的無縫鋼管為關鍵零件，有必要對其進行有限元靜力學分析，從而確保水壓壓力試驗裝置的安全性和可行性。

3.1 有限元模型的簡化建立及參數的設定

通過SolidWorks建立受內、外壓的壓力外殼的三維模型，對模型進行了簡化處理，刪除了對分析影響不大的法蘭密封面及焊接接頭出的凸臺，模型簡化不僅能提高網格劃分的質量提高分析結果還能提高求解速度[8]，將簡化好的模型導入ANSYS Workbench中，壓力外殼選用的材料為304不銹鋼，其牌號為06Cr19Ni10，彈性模量為204 GPa，泊松比為0.285，密度為7 930 kg/m3，屈服強度為205 MPa，將其定義到Engineering Data中，調整好合適的網格大小后進行網格劃分，其結果如圖2、3所示。

圖2 內壓壓力外殼網格劃分 圖3 外壓壓力外殼網格劃分

3.2 添加載荷與約束條件

內壓壓力外殼是無縫鋼管內壁承受液壓加壓裝置提供的3 MPa壓力，外壓壓力外殼主要是縫鋼管外壁承受水壓產生的3 MPa壓力，使用SolidWorks建立內、外壓壓力外殼的三維模型，對模型進行了簡化處理，刪除了對分析影響不大的法蘭密封面及焊接接頭處的凸臺，模型簡化不僅能提高網格劃分的質量提高分析結果還能提高求解速度[8]，將簡化好的模型導入ANSYS Workbench中，分別對兩種壓力外殼的內壁和外壁添加3 MPa的壓力載荷，對壓力外殼法蘭盤施加鏡像約束。

3.3 求解結果

用ANSYS Workbench進行求解，得到內外壓壓力外殼的等效應力云圖和總變形圖，如圖4～7。

圖4 內壓壓力外殼總形變圖 圖5 外壓壓力外殼總形變圖

圖6 內壓壓力外殼等效應力圖 圖7 外壓壓力外殼等效應力圖

從圖4的內壓壓力外殼總形變圖可以看出，由于在無縫鋼管底部焊接有法蘭盤，導致無縫鋼管的變形由底端到上端呈喇叭狀變形，最大變形量為0.08 mm，該變形量相對于整體的尺寸可忽略不計，結合圖6內壓壓力外殼等效應力圖來看，最大應力也出現在上端管口處，與總變形圖的求解結果保持一致，最大應力為52.355 MPa，低于該材料設計溫度下的許用應力[σ]t=137 MPa。由圖5的外壓壓力外殼總形變圖可以看出，由于該處的無縫鋼管外壁承受3 MPa壓力，其變形為徑向壓縮且向兩端伸長，從圖7得到應力云圖與圖5保持一致，外壓壓力外殼在3 MPa的環境壓力下的最大變形量為0.002 mm，可忽略不計，最大應力為16.744 MPa,低于該材料許用應力。

4 結 語

依照GB150《壓力容器》標準提供的設計公式設計了內壓壓力外殼，確定其材料、外形及壁厚等參數，對外壓壓力外殼的強度進行了校核，通過計算均滿足設計要求，利用SolidWorks三維軟件進行建模，并導入ANSYS Workbench中進行有限元分析，得到應力分布規律和總變形量，從而進一步的應證了該壓力外殼設計的合理性。通過理論設計結合有限元分析模擬結果的設計方法，大大縮短了設計周期，免去了不必要的試驗，減少了設計制造成本。