壓力容器筒體開孔區域補強設計

楊 洋* 樊 俊

（東方電氣股份有限公司核設備設計所）

0 引言

在壓力容器設計過程中，一般會采用一些補強措施來降低接管區域的應力集中程度，提高整個壓力容器的承載能力。壓力容器接管補強分為整體補強和補強圈補強，計算方法主要包括等面積法、壓力面積法、分析法和有限元分析法[1-2]。根據已有文獻的應力分析結果可知，整體補強、補強圈補強需要相對較大的壁厚，而厚壁將導致設備受到非常大的熱應力作用，不利于設備整體結構的穩定[3-5]。

因此，本文在不增加容器壁厚的前提下，提出采用支承板和套環的結構型式進行開孔補強，并利用有限元分析法進行分析和驗證，希望為存在溫度快速升降工況的壓力容器設計提供新的開孔補強方法。

1 開孔補強結構設計

在不增加筒體和接管壁厚的情況下，采用支承板和套環進行開孔補強，結構型式可見圖1。支承板與接管軸線平行，沿接管圓周方向間隔角度α布置，且關于結構縱向對稱面對稱，支承板短邊與接管表面交點距離筒體表面為L2，支承板短邊與筒體表面交點距離接管表面為L3；套環布置在接管表面，用于約束接管在內壓作用下的變形，其左端面距離筒體表面為L1。

圖1 支承板和套環補強結構型式

接管區域局部結構的部分幾何參數如表1 所示，其中D1為筒體直徑，D2為接管直徑，T1為筒體壁厚，T2為接管壁厚，T3為支承板厚度，T4為套環壁厚，b1為套環長度，b2為支承板寬度。

表1 結構幾何參數 mm

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

接管區域的幾何形狀和載荷都較為對稱，為了簡化計算建立局部結構1/4 作為分析模型，考慮支承板數量對補強效果的影響，建立5 個分析模型，分別含有0、1、2、3、4 個支承板。采用單元Solid185 進行網格劃分，第1、第5 個分析模型的網格離散情況分別如圖2、圖3 所示，二者單元數分別為64 989、209 918，節點數分別為187 630、405 444。

圖2 接管區域結構離散圖（無支承板）

圖3 接管區域結構離散圖（含4個支承板）

接管區域結構縱向和橫向對稱面為法向位移約束，筒體端面和接管端面施加相應的軸向平衡面力。軸向平衡面力的計算公式為：

式中：pe——平衡面力；

ps——為殼程壓力；

at——為筒體或接管內圓面積；

a0——為筒體端面或接管端面面積。筒體、接管、支承板和套環的材料均為Q235A，該材料常溫下的力學性能詳見表2。

表2 材料的主要力學性能

2.2 支承板補強效果分析

考慮殼程壓力為1、2、3 MPa 這3 種情況，并根據計算結果在最大應力區域取3 條路徑進行補強效果分析，路徑位置如圖4 所示。

圖4 路徑位置示意

當殼程壓力為1 MPa 時，5 個分析模型在筒體與接管連接區域的應力強度分布情況如圖5 所示。由圖5 可知，無支承板時，最大應力發生在接管內的拐角處，應力強度值達到172.32 MPa；當支承板數量為1個和2 個時，最大應力的位置轉移至結構縱向對稱面兩側，應力強度持續下降至148、129.5 MPa；當支承板數量為3 個時，補強的角度范圍達到30°，承受最大應力的位置轉回到接管內的拐角處，應力強度值繼續下降至113.09 MPa；當支承板數量增加至4 個時，高應力區域減小并進一步集中于接管內的拐角處，使得應力強度值小幅增加，為113.58 MPa。

圖5 結構在不同數量支承板下的應力云圖（單位：MPa）

隨著殼程壓力的增加，應力強度值隨支承板數量的變化展現出規律一致性，具體可見圖6。由圖6可知，支承板的數量應不小于3 個，即補強的角度范圍不應小于30°，相對無支承板的情況，結構此時的應力強度值將下降約34.37%。

圖6 結構最大應力強度值隨支承板數量的變化曲線

各路徑在不同殼程壓力和支承板數量情況下的應力值可見表3。由表3 可知，支承板數量為3 時補強效果最好，繼續增加支承板的意義不大。相對于無支承板的情況，路徑1 的薄膜應力下降率約為19.48%，彎曲應力下降率約為72.87%，峰值應力下降率約為75.92%；路徑2 的薄膜應力下降率約為16.48%，彎曲應力下降率約為38.17%，峰值應力下降率約為67.48%；路徑3 的薄膜應力下降率約為26.89%，彎曲應力下降率約為89.02%，峰值應力下降率約為60.45%。由此可見，支承板的補強效果明顯，且主要體現在降低彎曲應力和峰值應力方面。

表3 各路徑在不同殼程壓力及支承板數量情況下的應力值

在分析模型4 中將L2和L3統一修改為35 mm 或50 mm，考察參數L2和L3對補強效果的影響。在殼程施加1 MPa 壓力，結構的應力強度極值和各路徑應力值可見表4。由表4 可知，隨著支承板逐漸遠離筒體與接管的連接點，各項應力值均逐漸升高。由此可見，支承板越靠近筒體與接管的連接點，其補強效果越好。

表4 結構在不同L2、L3值時的應力值

2.3 套環補強效果分析

支承板分析結果表明，當支承板數量達到3 個時，繼續增加支承板的意義不大。因此，考慮在分析模型4 中增加套環結構，即在3 個支承板的基礎上進一步采用套環進行補強，并分析套環的補強效果。

結構在不同殼程壓力情況下的應力強度分布規律可見圖7，各項應力值可見表5。在增加套環之后，最大應力位置仍然為接管內的拐角處，最大應力強度值有所降低，降低率約為8.18%。各路徑應力總體呈現下降趨勢，其中3 條路徑的膜應力均下降，下降率分別約為4.27%、6.94%和7.40%；路徑1 的彎曲應力和峰值應力上升，分別約為10.5%和29.56；路徑2、3 的彎曲應力和峰值應力均下降，下降率在10%左右。

表5 結構在不同殼程壓力值時的應力值

圖7 結構在不同殼程壓力情況下的應力云圖（單位：MPa）

由表3 和表5 可知，在3 個支承板和套環的聯合補強情況下，接管區域最大應力強度值下降約39.74%，路徑1 的薄膜應力下降率約為22.89%，彎曲應力下降率約為70.01%，峰值應力下降率約為68.80%；路徑2 的薄膜應力下降率約為22.28%，彎曲應力下降率約為46.39%，峰值應力下降率約為69.99%；路徑3 的薄膜應力下降率約為32.28%，彎曲應力下降率約為90.49%，峰值應力下降率約為67.20%。

3 結語

本文在不增加壁厚的前提下，提出了采用支承板和套環進行壓力容器的筒體開孔補強的方法，并采用有限元分析法進行分析和驗證，得到如下結論：

（1）基于支承板和套環的筒體開孔補強結構型式可有效補強筒體開孔區域強度，降低該區域的應力水平。最大應力區域的膜應力可降低約20%～30%，彎曲應力可降低約40%～90%，峰值應力可降低約70%。

（2）在筒體開孔補強方面，支承板占主導，而套筒可提供有益補充。支承板在結構縱向對稱面兩側的補強角度范圍應不小于30°，其補強效果主要體現在降低彎曲應力和峰值應力方面。