承壓筒體長圓形開孔應力分析

李亞坤，王猛，王志堅，紀鵬振

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概況

壓力容器行業作為國內傳統制造行業，市場規模及產業需要日益增強，無論是在石化領域、鍋爐輔機裝備，還是在煉油、存儲、化工等方面，行業發展潛力巨大[1]。因此，壓力容器的設計方法和技術創新需不斷提高。

目前，越來越多的長圓形開孔結構應用在承壓筒體上，也隨之帶來了補強計算、結構優化等問題[2]。對于壓力容器長圓形開孔補強，依據GB 150-2011《壓力容器》[3]要求，等面積法適用于孔的長徑與短徑之比不大于2的情況。當長徑與短徑之比超過2時，長圓形開孔計算將采用分析設計方法[4]。本文基于ANSYS Workbench對承受內壓及外壓的圓筒長圓形開孔結構進行應力分析和評定，并分別考察了在內壓和外壓的條件下接管距軸線的距離對開孔結構的影響。

1 設計條件

1.1 設計參數

對于筒體長圓形接管結構，設計壓力0.5 MPa，設計溫度常溫，筒體、接管及補強圈材料均為Q345R，結構尺寸見圖1，材料參數見表1。接管距筒體軸向距離L，本文分別考察L為0 mm、350 mm、700 mm的情況下，長圓形接管開孔結構局部應力強度。

圖1 筒體長圓形開孔結構

表1 設計溫度下材料性能參數

1.2 計算模型

本文采用Ansys Workbench15.0，選用8節點的實體單元SOLID185，此單元可較好地模擬結構局部不連續區的應力分布。筒體長圓形開孔結構模型，如圖2所示，殼體壁厚方向單元層數設為5層，并對不連續區進行網格局部加密。結構總單元數為266 348，總節點數為340 488。網格模型如圖3所示，網格局部加密如圖4所示。

圖2 結構模型圖

圖3 網格模型圖

圖4 網格局部加密圖

2 內壓工況應力分析

2.1 邊界條件

內壓工況的邊界條件見表2。

表2 內壓工況邊界條件

2.2 內壓工況應力強度評定

筒體長圓形開孔結構應力強度分布云圖如圖5所示。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由圖5結果可知，接管距筒體軸向距離L為0 mm時，最大點的應力值最小，為168.68 MPa；L為350 mm時，最大點應力值為187.21 MPa；L為700 mm時，最大點應力值最大，為247.64 MPa。從開孔補強角度，在承受內壓的相同的邊界條件下，長圓形開孔距筒體的軸線距離越大，對結構的強度影響越大，最大應力點應力值越大。同時，在三種情況下，過應力最大點最短路徑的線性化路徑應力強度評定結果見表3。

表3 應力強度評定結果

3 外壓工況應力分析

3.1 邊界條件

設計參數和計算模型見上文1.1節和1.2節。現分別對L=0 mm、350 mm、700 mm的筒體長圓形開孔結構進行加載，外壓工況的邊界條件見表4。

表4 外壓工況邊界條件

3.2 特征值屈曲

通過靜力學分析自動激活預應力，進行特征值屈曲分析，獲得特征值屈曲的一階屈服臨界載荷因子，計算結果見圖6。

(1) L=0

(2) L=350

(3) L=700

由特征值屈曲一階總形變結果可知，接管距筒體軸向距離L分別為0 mm、350 mm、700 mm時，一階屈服臨界載荷因子、結構所能承受的外壓臨界壓力見表5。安全系數取3，則屈曲壓力分別為0.416、0.417、0.415 MPa。

表5 特征值屈曲計算結果

對于承受外壓筒體長圓形開孔結構來說，開孔接管區域筒體的特征值屈曲一階形變量明顯弱于未開孔區域的對稱筒體，開孔接管會對局部筒體起到加強作用。但開孔后，外壓筒體還是以周向失穩為主導，長圓形開孔距筒體的軸向距離對結構屈曲影響關系不大。

4 結 語

通過對承壓筒體長圓形開孔結構進行應力分析，并對比了在內壓和外壓工況下接管距筒體軸線的距離對開孔結構的影響，為實際工程提供設計依據。在僅受內壓的情況下，長圓形開孔距筒體的軸線距離越大，對結構的強度影響越大，最大應力點應力值越大。而在僅受外壓的情況下，長圓形開孔接管會對局部筒體起到加強作用，距離筒體的軸向距離對結構外壓屈曲的影響則不太大。

隨著國內壓力容器行業的發展，通過ANSYS Workbench軟件對承壓設備的長圓形開孔結構分析提供保障，為壓力容器在更多行業應用上的設計開發給出指導意義。