立式壓力容器吊裝時軸耳的應力分析

余 侃，於潛軍

(1.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.湖南中先智能科技有限公司，湖南 長沙 410138)

大型立式壓力容器[1]運抵現場進行吊裝前復核時，若是發現該設備吊裝工況考慮不夠充分，增設吊點對筒體薄弱位置進行單獨保護是行之有效的辦法之一，但是無形中增加了吊裝成本，選擇合適位置增設軸耳用作吊裝是現場解決此類問題的較佳選擇。吊裝時，若是由于實際場地限制，導致大型機械無法選擇最優的站位時，出于吊裝的安全考慮，項目上往往會要求制造廠增加臨時軸耳用作吊耳，而增加吊耳的位置和結構形式無法按照規范標準選定，故采用有限元法對吊裝過程的實際工況加以模擬，對吊耳及周圍筒體受力情況進行重點分析，確保吊裝過程的安全。本文采用有限元[2]分析軟件ANSYS對該設備結構進行了數值模擬仿真，然后采用JB4732—1995[3]《鋼制壓力容器-分析設計標準》(2005年確認)進行結果評定，其中材料的設計應力強度按GB/T150.2—2011《壓力容器第2部分：材料》[4]對應的許用應力確定。

1 有限元基本理論

彈性體的有限單元法：[5]

[K][q]=[R]

(1)

式中，[K]為結構總剛矩陣；[q]為節點位移列陣；[R]為節點載荷列陣。

2 有限元分析計算

2.1 設計數據

本立式容器總質量為244 500 kg，件號及主要材質見表1。設備由多節不同厚度的筒體組成，筒體上焊接有2個軸耳和1個尾吊，設備內徑2 000 mm，筒體直段長度23 065 mm。設備幾何尺寸見圖1，軸耳尺寸見圖2，尾吊幾何尺寸見圖3，幾何模型見圖4。

表1 主材材質

圖2 軸耳

圖3 尾吊

圖4 筒體實體模型

2.2 有限元模型

根據設備實際結構創建設備全模型，包括上、下封頭，不同壁厚的筒節、軸耳和尾吊。采用實體單元SOLID185對實體模型進行網格劃分，筒體壁厚方向網格劃分不少于3份，軸耳墊板、軸耳管軸、軸耳擋板、軸耳筋板和尾吊墊板沿厚度方向劃分至少3層單元，模型單元數共計484 770，節點數總計643 424。有限元網格模型見圖5、圖6。

圖5 筒體有限元模型

圖6 軸耳有限模型

2.3 臥式吊裝工況

2.3.1邊界條件

(1)位移邊界條件。設備在水平方向起吊時，對尾吊孔、軸耳擋板內側面約束，施加約束后的有限元模型見圖7。

圖7 位移邊界條件

(2)力學邊界條件。設備在水平方向起吊時，考慮設備自重以及1.65的綜合影響系數，重力沿著X軸負方向。施加重力載荷后的力學模型見圖8。

圖8 力學模型

2.3.2計算結果

圖9與圖10為水平方向起吊工況下整體結構及軸耳的Tresca應力云圖。

圖9 整體結構Tresca應力云圖

圖10 軸耳Tresca應力云圖

2.3.3強度評定

根據JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計規范》(2005確認)進行應力強度評定。

主應力差：

S12=σ1-σ2

S23=σ2-σ3

S31=σ3-σ1

應力強度：

S=max{|S12|,|S23|,|S31|}

一次總體薄膜應力強度極限為KSm，一次局部薄膜應力強度極限為1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應力強度極限為1.5KSm，一次應力強度加二次應力強度極限為3.0Sm，Sm為許用應力強度。K為載荷系數，設計工況下取K=1.0。

由軸耳Tresca應力云圖9可知，軸耳的等效當量應力最大值位置位于軸耳墊板與軸耳管軸連接處，最大當量應力值為101.905 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×185=277.5，強度條件SⅡ<15φSm，SIV<3Sm自動滿足。

2.4 立式吊裝工況

2.4.1邊界條件

(1)位移邊界條件。設備在豎直方向起吊時，軸耳擋板內側面約束，施加約束后有限元模型見圖11。

圖11 位移邊界條件

(2)力邊界條件。設備在豎直方向起吊時，考慮設備自重以及1.65的綜合影響系數，重力沿著Y軸負方向，施加重力載荷后的力學模型見圖12。

圖12 力學模型

2.4.2計算結果

圖13與圖14為豎直起吊工況下整體結構及軸耳的Tresca應力云圖。

圖13 整體結構Tresca應力云圖

2.4.3強度評定

由軸耳Tresca應力云圖14可知，軸耳的等效當量應力最大值位于軸耳墊板與軸耳管軸連接處，最大當量應力值為177.626 MPa，小于1.5φSm=1.5×1.0×185=277.5，強度條件S11<15φSm，SIV<3Sm自動滿足。

圖14 軸耳Tresca應力云圖

3 結語

通過有限元軟件ANSYS對本設備在臥式起吊和立式起吊兩種工況下進行軸耳的應力分析及強度評定，求解得到在臥式吊裝工況下軸耳的最大當量應力為101.905 MPa；在立式吊裝工況下軸耳的最大當量應力為177.626 MPa，分析得出其小于材料許用應力，符合強度要求，因此設備在兩種工況下是安全的。評定結果表明，設備在起吊工況下滿足JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》(2005年確認)的要求。