典型裙座結構在疲勞容器中的應用比較

張秋祥*

（四川蜀道裝備科技股份有限公司）

0 引言

壓力容器設計是保證壓力容器安全使用的基礎。一般情況下，大多數壓力容器除了承受介質壓力外，通常還受到高溫或低溫等聯合作用，且溫度、壓力的波動或短期超載常常是不可避免的。如遇頻繁開停工或溫度、壓力波動等情況，超過一定次數或頻率后就會引起容器部件疲勞失效。合理的裙座與塔體局部連接結構，可以保證塔設備生產安全，降低事故發生的概率。

本文以某疲勞工況的壓力容器裙座與塔體連接結構為例，對堆焊型、對接型和整體鍛焊型三種結構采用有限元通用軟件進行了分析比較。

1 三種裙座結構基本形式

塔器裙座與塔體的連接形式一般有對接型、堆焊型和整體鍛焊型三種，如圖1 所示。

圖1 塔器裙座與殼體三種基本連接形式

2 載荷分析

2.1 設計條件及結構

某裝置中干燥塔采用球形封頭，其結構尺寸可見圖2，設備內徑D1=3 000 mm，腐蝕裕量D2=2 mm。設備操作中存在吸附、再生和冷卻三種工況，其中吸附與再生工況，冷卻與吸附工況的操作切換時長均為0.5 h，操作壓力分別在3.77 ～0.4 MPa 和0.4 ～3.77 MPa 之間變化，吸附、再生和冷卻操作交替進行，干燥塔的技術特性可見表1。

表1 干燥塔技術特性表

圖2 干燥塔結構示意圖（單位：mm）

該設備具有成功使用經驗的承受循環載荷容器，可按GB/T 150—2011《壓力容器》標準進行設計，但其裙座殼與塔殼連接處應力應按JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》附錄C進行疲勞分析和評定。

2.2 計算條件

靜強度計算條件如下：計算壓力為4.3 MPa,計算溫度為80 ℃。球形封頭承壓材料在設計溫度下的力學性能可見表2。

表2 球形封頭材料力學性能

2.3 疲勞計算條件

根據設計條件，載荷的循環條件可見表3 和圖3。

圖3 壓力循環示意圖

表3 載荷的循環條件

疲勞分析免除的判定條件可根據JB 4732—1995（2005 年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》第3.10.2.1 條，對常溫抗拉強度小于等于550 MPa 的鋼材，總循環次數小于1 000 的可免除疲勞分析，故不能免除疲勞分析。

由于加溫、冷吹過程緩慢進行，塔器結構簡單，筒體外徑與內徑之比D0/Di≤1.2，屬于薄壁容器，且設備有完善的保溫層，根據已有設備運行經驗，按JB 4732—1995（2005 年確認）標準中的溫度疲勞定義，相鄰兩點溫差未超過25 ℃，所以不計溫度循環載荷的疲勞影響。

3 有限元模型

3.1 模型建立

壓力容器裙座殼與塔體連接部位采用圓弧過渡，避免應力集中程度過高，該設備結構為軸對稱形式，其有限元模型可見圖4 ～圖6。

圖4 對接型裙座支撐區模型

圖5 堆焊型裙座支撐區模型

圖6 整體鍛焊裙座支撐區模型

3.2 網格劃分

壓力容器裙座支撐結構屬于軸對稱，采用有限元分析軟件提供的面單元。為了得到較好的網格劃分模型，需合理設置單元大小，并對裙座殼體與球形封頭連接處采用子模型進行細化處理。模型及子模型網格劃分情況可見圖7～圖9。

圖7 對接型裙座支撐區子模型網格示意圖

圖8 堆焊型裙座支撐區子模型網格示意圖

圖9 整體鍛焊型裙座支撐區子模型網格示意圖

3.3 加載邊界條件與載荷

4 應力分析與強度評定

4.1 應力分析

裙座支撐區子模型應力云圖分別如圖10～圖12所示。由圖10 可以觀察到最大應力強度貫穿過渡圓角處，并對高應力強度截面和變截面選取三條路徑進行線性化，詳見圖13。由圖11 和圖12 可以觀察到最大應力強度發生在封頭內表面處，并對高應力強度截面和變截面選取三條路徑進行線性化，詳見圖14和圖15。線性化分析后可得路徑上的薄膜應力、彎曲應力、薄膜加彎曲應力及峰值應力。根據應力線性化結果，選取分類應力最大值，其值可見表4 ～表6。

表4 對接型裙座支撐區應力數據（應力線性化路徑A1-A2）

表6 整體鍛焊型裙座支撐區應力數據（應力線性化路徑A1-A2）

圖11 對接型裙座支撐區子模型應力云圖

圖12 堆焊型裙座支撐區子模型應力云圖

圖13 整體鍛焊型裙座支撐區子模型應力云圖

圖14 對接型裙座支撐區子模型應力線性路徑

圖15 堆焊型裙座支撐區子模型應力線性路徑

圖16 整體鍛焊型裙座支撐區子模型應力線性路徑

三個模型的三條路徑線性化結果表明，A1-A2路徑的應力最大。

表5 堆焊型裙座支撐區應力數據（應力線性化路徑A1-A2）

4.2 強度評定

所得的薄膜應力屬于一次局部薄膜應力（pL）,對應一次局部薄膜應力強度（SⅡ）。該處的薄膜加彎曲應力總量中含有靜力平衡需要的一次彎曲應力和因變形協調引起的二次彎曲應力，由于兩種成分無法區分，為了滿足JB 4732—1995（2005 確認）標準對各類應力強度應依次逐級評定的要求，對薄膜加彎曲應力宜保守考慮按（SⅢ）處理，按1.5KSm控制，載荷組合系數K取1.0 。

4.2.1 對接型裙座支撐區強度評定

薄膜加彎曲應力強度符合標準要求。

所以，裙座殼與塔體連接結構的三種形式強度均滿足標準要求。

5 疲勞分析

根據容器的應力分析結果，裙座殼體與封頭的峰值應力強度 是裙座支撐區峰值應力強度的最大值，故選擇該點進行疲勞分析和評定。峰值應力強度是在設計載荷下求得的，所以在求交變應力幅時應乘以相應的修正系數。

5.1 對接型裙座支撐區壓力循環范圍

根據 JB 4732—1995（2005 年確認）附錄C 的表C-1“設計疲勞曲線圖的Sa值”，用插值法可計算得到設計溫度下交變應力幅所對應的許用循環次數N1=145 959 次。因為，總循環數N=20 000 次，且N＜N1所以該結構滿足疲勞強度要求。

5.2 對焊型裙座支撐區壓力循環范圍

其最大峰值應力強度為192.69 MPa。

壓力修正交變應力強度幅：

根據 JB 4732—1995（2005 年確認）附錄C 的表C-1“設計疲勞曲線圖的Sa值”，用插值法可計算得到設計溫度下交變應力幅所對應的許用循環次數N1=1 000 000 次。因為，總循環數N=20 000 次且N＜N1，所以該結構滿足疲勞強度要求。

5.3 整體鍛焊型裙座支撐區壓力循環范圍

其最大峰值應力強度為177.41 MPa。壓力修正交變應力強度幅：

據上計算結果可知，該塔器裙座與塔體連接結構的三種形式均可以滿足疲勞強度要求。

6 結論

裙座殼體與塔殼連接選用的三種形式（對接型、堆焊型和整體鍛焊型）強度進行對比，結果可見表7。整體鍛焊型應力幅和堆焊型應力幅相對對接型應力幅占比分別為60.7%和66%，整體鍛焊型結構強度明顯優于對接型和堆焊型。

表7 三種結構型式的應力峰值

（1）整體鍛焊型結構強度明顯優于對接型和堆焊型兩種，但是從應力幅來看，整體鍛焊型與堆焊型的值較接近。（2）從結構特點來對比，對接型連接形式結構簡單，造價便宜，但其裙座與封頭連接的內側焊縫倒圓角不容易加工，容易形成應力集中，甚至產生裂紋。堆焊型連接形式結構相對簡單，在連接處內外加工倒圓較容易角，避免產生應力畸變，但是焊接工作量明顯大于對接型和整體鍛焊型，堆疊的底層焊縫容易過熱，造成內部缺陷。整體鍛焊型將封頭分為球冠和過渡段兩部分，過渡段采用整體鍛件，分別與封頭和裙座殼對焊，應力集中系數較小，也不容易產生裂紋，但采用該結構對制造廠的加工能力、制造周期和制造成本要求明顯高于對接型和堆焊型。（3）通過建立有限元模型和邊界條件，計算了各結構的應力分布情況，壓力容器的應力強度評定和疲勞分析結果均滿足要求。（4）堆焊型和整體鍛焊型結構型式改善了結構的受力狀況，降低了局部的應力集中程度，提高了容器的疲勞壽命。綜合考慮制造、檢驗難度和經濟性能等因素，在可靠的焊接工藝保證下，采用堆焊型是較為合理的。