壓力容器接管區應力集中彈塑性有限元分析

李迪

摘要：壓力容器在石油化工企業生產過程中是一種非常常見的設備，壓力容器設備具有儲存液體、氣體的作用。壓力容器主要包括：儲運容器、反應容器、熱換器以及分離器。壓力容器接管區的主要目的是為了符合工藝需求，但是也造成接管區出現復雜的應力狀態，通過對壓力容器接管區應力進行對比和分析，在掌握壓力容器的筒體、接管以及連接部位應力狀況的基礎上，對比壓力容器接管區應力集中彈性塑形變化，并提出相關的解決措施，能夠有效提高壓力容器接管區的強度。不斷對壓力容器進行改進，使壓力容器的設計，制造，檢驗以及使用等環節都能得到充分保障，實現了壓力容器的迅速發展。

關鍵詞：壓力容器;應力集中;有限元分析

壓力容器是一種廣泛應用于石油化工企業的常用設備，壓力容器由于結構和工藝要求存在差異性，一般情況下需要進行開孔裝接管。但是壓力容器在運行過程中具有突變的幾何形，在接管區域往往會形成不連續的應力變化，導致接管區出現應力集中的情況，引起壓力容器局部發生高應力現象，因此，需要利用有限元分析開孔接管區的應力集中變化，確保壓力容器能夠安全運行。

一般情況下，壓力容器接管器具有復雜的應力狀況，導致該現象的原因主要包括：第一，對壓力容器進行開孔會對容器殼體造成破壞，縮小容器承載面積，導致壓力容器邊緣接管區域出現應力集中。第二，壓力容器接管區會出現斷層性結構，接管區域和殼體在受到內壓影響下會發生變形，在協調變形中會出現邊緣應力，因此，需要利用有限元分析法進行壓力容器應力集中計算。

1模型的有限元分析

1.1幾何模型機載荷

在進行模擬過程中使用有限元模型主要是根據壓力容器的結構特性和荷載特征。但是在實際應用過程中，壓力容器的結構特征和載荷特征為軸對稱，因此在實驗過程中，可以在對稱面施加一定的對稱約束力，并且在接管端不施加軸向移位約束，并對壓力容器的筒體以及接管區域施加壓力載荷，可以忽略重力及外壓對計算結果的影響。

1.2網格劃分

基于僅是對于在內壓作用下接管應力的研究，因此針對這些情況，可以實行結構對稱性應用，利用有限元模型對接關系進行建模，接管除外伸長度與筒體長度都要比起邊緣應力縮減長度要大。

1.3應力分析結果

通過研究壓力容器筒體上接管應力等值線，可以清晰看出：應力值在距離壓力容器接管區較遠地方并沒有明顯變化，因此，此處的應力值基本上屬于壓力容器筒體上的薄膜應力，而應力變化幅度最大的地方是壓力容器接管連接處，壓力容器接管區的用地非常集中。通過壓力容器連接邊緣處應力分布狀況曲線圖可以明確指出。在壓力容器接管與筒體連接區的表面出現應力對稱分布狀況，并且在此區域的最大應力值主要分布在接管區與筒體連接區域的兩側。

通過壓力容器接管區的應力狀況可以看出，最大應力數值位于壓力容器筒體與接管區域相切處，此處的應力值最大，并且在該區域附近會出現明顯的應力變化梯度，其中相對較小的應力較小區域在接管部位附近的筒體壁面。根據這兩種結果，我們可以得出，壓力容器接管區的應力集中數值在壓力容器切向接管區域中較大。在筒體內表面接邊緣處的應力分布狀況為左右對稱狀況，當時這種堆成情況并不能完全體現在分布區域，并且在壓力容器接管區與筒體相切處出現最大應力值。

通過上述內容可以看出，應力值在距離壓力容器接管處較遠地方并沒有明顯變化，只有屬于筒體本身的薄膜應力，而應力值變化幅度最大的地方在于壓力容器接管連接區，并且該區域的應力非常集中，利用有限元分析可以有效得出，筒體幾合的不連續性會導致更大的陰應力值出現，因此在實際應用過程中應該盡可能選擇正交接管形式，才能夠在最大程度上確保壓力容器的安全性。

2有限元模型計算壓力容器結果及強度評定

壓力容器接管和筒體連接區域是壓力容器最容易發生危險的環節，在進行壓力容器接管時需要對接管區有限元應力進行計算，并按照有限元影響范圍，狀態分布以及用理性質等環節進行分析，可以將壓力容器接管區的應力分為一次應力，二次應力和峰值應力。其中，一次應力是指在外荷載的基礎上，能夠滿足基本平衡條件的法向應力和剪應力。二次應力是指壓力容器內部部件與相鄰部件之間的結構約束，自身結構約束會引起法向應力和剪應力;峰值應力式壓力容器內部分結構不連續或者局部熱應力集中在一起，從而引起一次應力與二次應力之和的應力增量，因此在實際應用過程中，峰值應力形成的過程中具有最高應力值。對應力強度進行評定時，需要結合有線處理法和點處理法，如果為復雜的應力曲線，則需要考慮面處理法。利用線性化和均勻化的方式對壓力容器的應力分布區域進行處理，能夠有效計算出應力分布區域的非線行應力、線性應力以及平均應力。結合有限元分析法可以計算出壓力容器的薄膜應力、峰值應力以及彎曲應力。并計算出不同應力類型及其組合應力強度。

3結束語

一般情況下，壓力容器在運行過程中使用正交開孔接管或者斜交開孔接管等形式，壓力容器接管區是為了滿足某些工藝生產條件需求。通過壓力容器接管區應力集中彈塑性有限元分析，可以發現在壓力容器接管區會出現應力集中的現象，并且應力最大值均位于壓力容器已接管區相接處的內側，隨著距離的不斷增加，應力集中系數會逐漸減小，由此可以說明接管區在應用過程中容易發生大開孔結構，從而在一定程度上加快了筒體幾何的不連續性，會導致更大的集合應力出現。因此在實際應用過程中需要合理選擇接管形式。壓力容器切向開孔接管區具有足夠的強度，可以有效符合生產需求，但是在實際應用過程中，需要對接管區的強度狀況進行評價，確保在生產過程中的安全性和可靠性。

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