压力容器壳体上矩形大开孔的间隙有限元分析

1、压力容器壳体上矩形大开孔的间隙有限元分析刘友宏江苏石油化工学院 常州 213016摘 要 间隙单元是一种近年来出现的高级有限单元。它能更真实地模拟两侧固壁间的间隙, 从而得到更加精确的有限元应力分析结果。本文对卷染机蒸罐受压筒体矩形大开孔结构中补强圈和筒体之间的间隙, 在使用间隙单元模拟和不使用间隙单元分别计算后, 得到使用间隙处非连续应力场的强度评定方法进行了 探讨。经过强度评定计算, 本文卷染机蒸罐矩形大开孔结构是安全的。关键词 受压圆筒 大开孔 间隙元 应力 强度评定1引言压力容器筒体上开矩形孔, 尤其是大开孔 (C 1015。 为接管开孔系数, 对于矩形接管, 1 = R , 2= C

2、 2。式中 R为圆筒中径的一半;为矩形接管环C 1R向边界之半;C 2 为矩形接管经向边长之半)的应力图 1筒体矩形大开孔结构示意图分析和评定的文献报道尚不多见。 对于大开孔, 局部应力的计算相当困难, 文献 1采用三维等参单元对卷染机蒸罐受压筒体上矩形大开孔结构进行了SA P 5 有限元计算,求得了开孔接管部位的应力场和最大应力部位, 并根据分析设计的原理, 对有限元分析结果采用“线法”进行了强度评定。 因为大 多数的卷染机蒸罐矩形开孔结构采用贴板补强结 构, 所以, 本文尝试采用有限单元法中的间隙单元来模拟贴板与筒体之间的间隙, 进行有限元分析计 算, 给出了相应的强度计算方法, 并与按整

3、体补强 结构的有限元计算结果进行了比较。2 有限元模型与计算卷染机蒸罐筒体矩形大开孔结构如图 1、 图 2图 2 筒体矩形大开孔局部结构所示。因为相邻两孔的孔边间距远大于 R S (式中S 为圆筒壁厚) , 所以孔边应力的相互影响可不予考 虑。 另外, 相邻两孔的应力状态是对称分布的, 考 虑到结构和其承受载荷 (受均布内压) 的对称性, 可 取筒体的四分之一为研究对象。 经过网格划分试验图 3 网格划分 收稿日期: 1999212229作者简介: 刘友宏, 讲师。 1986 年毕业于江苏化工学院化机专业,1992 年毕业于南京化工学院, 获工学硕士学位。现在江苏石油化工 学院过程机械与控制教

4、研组工作。从事压力容器、化工机器的教学, 结构与强度、流动与传热、红外物理等方面的研究。曾获江苏省科 技进步四等奖一项。和调整, 在保证计算精度的条件下,网格模型和坐标系如图 3 所示。划分的有限元有限元模型沿厚度方向按内补强圈、 筒体和外2石 油 化 工设 备 技 术2000 年补强圈共分 3 层; 沿矩形接管方向分了 11 层; 沿筒体轴向分了 27 层。三维实体单元总数 3600, 受压间 隙单元总数 550, 节点总数 6688。根据实际情况, 参38213M P a。照文献 2开孔补强间隙研究, 受压间隙单元直线长度取 1mm ,刚度 110- 30。因为间隙单元的使用和矩形接管的过

5、渡圆角较小, 同时, 小圆角的存在,造成了圆角处三维实体单元形状的畸变和此处求解 精度的下降, 本文在进行这方面的尝试后, 为了偏 安全起见, 没有考虑圆角过渡, 此种工况简称工况1。为比较起见, 本文在未用间隙元、认为补强圈与筒体为整体结构的情况下, 进行了同等条件有限元 计算, 简称工况 2。卷染机蒸罐筒体内受均布蒸气内压, 设计压力为 013M P a, 设计温度 143。筒体、接管和补强圈 材料均为 16M nR , 设计温度下材料的机械性能参数图 4结构外表面应力强度分布等值线图为:弹性模量 E = 1193105M P a, 泊松比 = 0126,钢材标准屈服点 s = 345M

6、P a, 钢材标准抗拉强度下限 b = 510M P a, 设计温度下材料的许用应力 t =S m = 170M P a。计算时所考虑的载荷为: 筒体内压均布载荷013M P a, 接管端部膜应力载荷 1188M P a, 筒体端部 膜应力载荷 8187M P a。 计算的约束条件为: 在图 1 的 1/4 筒体对称面法线方向, 位移固定, 其它方向图 5结构内表面应力强度分布等值线图为铰支。为限制模型整体 Y 方向自由度,的某一节点的 Y 向位移为 0。任取模型有限元计算软件采用目前有成熟使用经验的SSA P 91 有限元分析系统。根据有限元计算结果, 第三应力强度分布等值线图如图 4 6

7、所示图中可以看出:(图中应力值单位为M P a)。从图 6 应力最大点局部应力强度分布等值线放大图3应力强度计算与评定311依据按照 A SM E 锅炉及压力容器规范第 卷第二 分册中A D 140 设计准则的规定, 强度校核采用最 大剪应力理论, 即第三强度理论。 应力强度规定为最大剪应力的 2 倍, 即:S = m ax 1 - 2 , 2 - 3 , 3 - 1 式中: S 应力强度, M P a;1 , 2 , 3 主应力, M P a。根据 A SM E 锅炉及压力容器规范第 卷第二 分册强制性附录 4 (以应力分析为基础的设计) 中的1) 在补强区,工况 1 的应力水平大于工况 2

8、 下的应力水平, 最大应力约高出 30% ;2) 筒体补强区外壁面应力较小,大;内壁面应力较3) 在矩形接管短边与封头之间的局部筒体中应力水平较高;4) 在补强圈环向外边缘靠近封头侧的筒体中有 较高应力点存在;5) 在矩形接管拐角与筒体内壁面相接点的短边 一侧邻近的第一个单元中, 第三应力强度达到最大值, 在 工 况 1 下 为工 况 2 下 为51516M P a,第 21 卷第 5 期刘友宏. 压力容器壳体上矩形大开孔的间隙有限元分析3规定:一次总体薄膜应力强度 p m 应不超过设计许用 应力强度 S m , 即:p m S m一次局部薄膜应力强度 p L 许用极限为 115S m ,即:

9、p L 115S m一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度根据应力处理线上各点 (取 4 点) 的 6 个应力分量, 拟合出各应力分量的应力分布曲线, 即:= A + B + C 2 + D 36 个应力分量分别为:112233122331A 1A 2 A 6B 1B 2 B 6C 1C 2 C 6D 1D 2 D 61 23=p L + p b 的许用极限为 115S m ,即:p L + p b 115S m一次局部薄膜应力加一次弯曲应力以及二次应按“静力等效”原理,局部均布应力 m 为:力的应力强度 P L + p b + Q 的许用极限为 3S m ,p L + p b + Q 3S

10、 m即:1B C Dm = d=A +234一次局部应力加二次应力以及峰值应力的应力强度 p L + p b + Q + F 的许用极限为 2S a , 即:p L + p b + Q + F 2S a式中: S a 容器材料在一定循环次数下的疲劳许 用应力幅;S m 设计应力强度值;p m 一次总体薄膜应力;p L 一次局部薄膜应力;Q 二次应力;F 峰值应力;p b 一次弯曲应力。312 评定方法简述本文在有限元计算中, 筒体和补强圈之间的间 隙采用了间隙有限单元模拟, 这样沿应力处理线应力场分布不再连续, 积分应在间隙处分区间求积。但是可以证明, “线法”(S t re ss a lo

11、n g a lin e) 在应力处 理线上, 取 4 点拟合每点的 6 个应力分量, 其本质 是分段线性的。 所以如果在间隙单元应力场非连续处, 拟合应力值取间隙单元两端点应力值的平均值, 那么在使用“静力等效”和“静力矩等效”时, 与 分区间求积分是等效的。为了从有限元分析结果中得到薄膜、 弯曲和峰 值等各类应力强度, 本文仍采用“线法”进行计算。 首先在截面上过最大应力点沿壁厚方向确定一条应06 个应力分量的局部均布应力分别为:112233122331A 1A 2 A 6B 1 /2B 2 /2 B 6 /2C 1 /3C 2 /3 C 6 /3D 1 /4D 2 /4 D 6 /4111

12、1=m按“静力矩等效”原理, 可求得应力处理线上任意点 处的局部弯曲应力为:B - C -9 D )9D )b =(-(B + C +2220106 个应力分量的局部弯曲应力分别为:B 1C 19911-2 -2 -D 1B 1 + C 1 +D 120102233122331B 2 -C 2 -9 D9 D-B + C +122 2222 2010= B 6 -C 6 -9 D9 D-B 6 + C +666222010b局部弯曲应力为二次应力, 所以一次应力加二次应力的最大值(= 1) 6 个应力分量为:115 C 17 D 1A 1B 16102233122331111157 D 2力处

13、理线,沿该线建立一局部坐标系 ,为便于处A 2B 26 C 210=理, 在应力为最大值的一端 = 1, 另一端 = 0。然 后, 根据“静力等效”和“静力矩等效”原理,离出各类应力分量。分57A 6B 66 C 6D 610m + b4石油化工设 备技 术2000 年令 = 1,得峰值应力的 6 个分量为:系数;m 均布应力;b 局部弯曲应力。矩形大开孔结构的应力强度计算与评定卷染机蒸罐矩形大开孔结构中, 最大应力强度112233122331A 1A 2 A 6B 1B 2 B 6C 1C 2 C 6D 1D 2 D 61111313=点位于矩形接管拐角与筒体相接内壁面角点环向邻近的第一个单

14、元中。 过该点分别作环向截面 C - C 1 和经向截面 C - C 2 , 如图 2 所示, A A 1 和A A 2 分别 为环向截面和经向截面内的应力处理线。 沿这两条 应力处理线在工况 1、2 下的各类应力强度计算结果 如表 1、 表 2 所示。总体一次薄膜应力强度为:F式中:局部应力;拟合应力;11 , 22 , 33 , 12 , 23 , 31拟合应力点的 6 个分量;A , B ,C ,D表 1矩形大开孔结构间隙有限元分析应力处理结果力m57F1-F3 01370计算采用的是单元高斯积分点上的应力值,而“线p R = 19144M P a S mS 1 = 1 -3 =S 11

15、2019法”强度计算采用的是单元节点上的应力值。4结论卷染机蒸罐承受的是低周疲劳载荷的作用, 而且可以认为主应力方向在循环中不变。 按卷染机的 设计寿命 10 年、操作周期每天 115 班算得的循环次数。由A SM E 锅炉及压力容器规范第 卷第二分册 强制性附录, 按低合金钢的设计疲劳曲线算得相应的疲劳许用应力幅 Sa = 320M P a。比较图 6 和表 1 峰值应力的计算结果, 可知两 者有一定的误差。 误差的原因是有限元分析后处理a)用间隙单元模拟补强圈与筒体之间的间隙,对受压圆筒矩形大开孔结构进行应力分析是有效的。最大应力出现在接管与筒体内壁面的交接处。接 管的拐角和接管短边附近有

16、若干点的虚拟弹性应力 值远远超过材料的屈服限, 必须进行应力强度评定。b )间隙有限元与实体单元相结合的应力计算是比完全实体单元应力计算更为先进的和接近客观应 力 处 理 线应 分量拟 合 应 力局部一次膜应力强度 S II一次加二次应力强度 S Iv峰值应力强度 S V= A + B + C 2+ D 3 = A + B 2+ C + D 34S II =m 1- m 3m + b = A + B + 6 C + 10 DS Iv = m + b1-m + b3F = A +B + C + DS V =ABCD线 A - A 2( 沿经向截面C -C 2)S 11- 8112111111-

17、225199133174- 33131m 1145112- 91172m b1402155- 89126F1499195S 22- 168114557147- 528124607104136187m 247108374107m b2205130468114F2153130S 33- 9130- 5169811162- 61119154143m 3- 34112233102m b3- 92148184172F3- 89165S 1214174- 139153339103- 199150- 8152m 1- m 318108m + b1 - m + b314174F1- F3S 23- 23183

18、57168- 8512715018826188179133 115S m68141495103 3S m99146589160 2S aS 3111114- 2119858199- 44151419871163164线 A - A 1( 沿环向截面C -C 1)S 11- 1517866122- 91182521134110m 111618810141m b1439132- 89126F1499195S 2210129- 4851071807167- 86417682106m 223151426128m b2166128468114F2153130S 33- 127163390128- 252

19、11617412241153m 3- 12169174147m b35160184172F3- 89165S 12- 10115- 117192611173- 481110- 25157m 1- m 344193m + b1 - m + b314174F1- F3S 23- 47014843718947170129157 115S m46152433172 3S m99147589160 2S aS 31- 711147166- 8513248142414231343165第 21 卷第 5 期刘友宏. 压力容器壳体上矩形大开孔的间隙有限元分析5实际情况的分析方法。

20、间隙有限元计算得出的最大主应力最大值比完全实体单元计算得出的最大主应 力最大值在本文卷染机蒸罐情况下, 高出约 30% 。连续应力场的强度评定方法有待于进一步的研究。c) 通过间隙有限单元和实体有限单元的分析和 强度计算, 说明本文卷染机蒸罐筒体矩形大开孔结 构是可行的、 安全的。使用间隙有限单元后,如何更科学和精确地计算非表 2矩形大开孔结构实体有限元分析应力处理结果力mF1- F3参考文献1 李永生, 沈迅伟, 於孝春 1 受压圆筒矩形大开孔的三维有 限元分析与强度评定 1 压力容器, 1996, 13 (4) : 44 502 桑芝富, 李磊, 周永军 1 补强圈与筒体几何间隙的影响接管

21、弯矩作用下 1 压力容器, 1996, 13 (2) : 1381443徐芝纶 1 弹性力学 1 北京:版高等教育出版社, 1982 第二JB 4732- 95钢制压力容器分析设计标准11995A SM E 第 卷 第二分册 11986 版456A L GO R F EA S (Sup e r SA P 91 版)用户手册书讯2001 年炼油设计杂志征订启示油品和添加剂、能量利用、环境保护、安全卫生、技术经济、工程管理、数据图表等栏目。该杂志 1992 年和 1996 年两获 全国优秀科技期刊二等奖。该杂志为月刊, 每月 25 日出版, 国内外发行; 标准大 16 开, 单价 8100 元,

22、全年 96 元。国内邮发代号为 36- 31, 全 国各地邮局均可订阅。漏订者可随时与编辑部联系补订。炼油设计杂志是中国石化集团洛阳石化工程公司主办的 炼 油 和 石 油 化 工 方 面 的 科 技 期 刊, 英 文 名 称 是 “P e t ro leum R ef ine ry E ng inee r ing 简称 (PR E ) ”, 在世界权威 性文摘杂志“化学文摘 (CA ) ”和“工程索引 (E i) ”上的摘 录平均 80% 以上。该杂志侧重工程, 突出应用; 主要报道国 内外炼油、石油化工科学研究和工程技术开发的新成果及其 应用; 设有工厂设计、加工工艺、设计方法、机械设备、配

23、 管技术、自动控制、计算机应用、油品储运、催化剂和助剂、地址: : : :河南省洛阳市 063 信箱炼油设计编辑部4710030379- 48870190379- 4887689应 力 处 理 线应 分量拟 合 应 力局部一次膜应力强度 S II一次加二次应力强度 S Iv峰值应力强度 S V= A + B + C 2+ D 3 = A + B 2+ C + D 34S II =m 1- m 3m + b = A + B + 5 C + 7 D610S Iv = m + b1-m + b3F = A +B + C + DS V =ABCD线 A - A 2( 沿经向截面C -C 2)S 11-

24、 10141277131- 71311148118351142m 115715810119m b125016435189F1403108S 22- 100194575186- 938145830173151108m 283166274139m b2190150367119F2160131S 33- 1612216213192177- 4310581151m 342178193126m b36171195181F335152S 1213146- 133162368147- 255167- 15175m 1- m 37193m + b1 - m + b3- 7136F1- F3S 23- 2419

25、044146114186- 4815419144114180 115S m81130243193 3S m85188367156 2S aS 3171457169- 26113918910512113- 20140- 7125线 A - A 1( 沿环向截面C -C 1)S 11919134153- 15517014711524132m 117312317169m b127910035189F1403108S 22- 673140722149166184m 224156262168m b2121185367119F2160131S 3394174- 775142153

26、1186- 655137- 0181m 3- 7139137111m b316165195181F335152S 124138- 25132156158- 143100- 3175m 1- m 39144m + b1 - m + b3- 7136F1- F3S 23- 614351115- 19312523414132187180162 115S m47177262135 3S m85188367156 2S aS 31- 1316- 51130191- 1167- 4118- 6190- 7125P E T RO 2CH EM ICA L EQ U IPM EN T T ECHN OL O

27、GYA BSTRACTS S ta r ted P u b lica t io n in 1980. B im o n th ly. Sep t. 2000 V o l. 21 N o. 5GA PF IN ITEEL EM ENTA NALY S ISO PEN INGO FO NCA TALY T IC CRACK ING UN ITS u n y i, e tc. , P. C 102503RECTA NGUL A RL A RGEPRESSURE VESSEL SHELLA bstra c tB y m ean s o f an a ly sis o n th e rea so n o

28、 fL iu Y ou h on g. J ia n g sutech n ology , P. C 213016in s t itu teofp e t roch em ica lf issu re o ccu red o n tu b e sh ee t o f slu r ry steamgen e ra to r ex ch an ge r in ca ta ly t ic c rach in g u n it, th e co r re spo d in g tech n ica l reco n st ru c t io n o f th a t ex ch an ge r w a

29、 s ca r r ied o u t. P rac t ice p ro ved th a t tech n ica l reco n st ru c t io n can p reven t effec t ive ly th e c rack o f ex ch an ge r tu b e sh ee t, an d p ro lo n ged th ese rv ice life o f ex ch an ge r.A bstra c tGap e lem en tis a n ewan d advan cedtyp e f in ite e lem en t p re sen te

30、d in recen t yea r s, w h ichcan m o re p rac t ica lly sim u la te gap b e tw een tw o side s o f w a ll, th en th e m o re accu recy re su lt o f f in ite e lem en t st re ss an a ly sis is o b ta in ed. A f te r th e gap , b e tw een re in fo rce in g r in g an d sh e ll, o f rec tan gu la l la r

31、ge op en in g st ru c tu re o n th e p re ssu re sh e ll o f evapo ra to r fo r dye g igge r a re ca lcu la ted b y u sin ggap e lem en t sim u la te an d w itho u t u sin g gapKeyword sC a ta ly t ic c rack in g, S lu r rysteamgen e ra to r, T u b e sh ee t f issu re, R eco n st ru c t io nREA SO N

32、A NALY S ISO NA BNO RM ALe lem en t,th est re sseva lu a t io nm e tho da tW O RK ING CO ND IT IO N O F INNER CY CLO NEFO R REACTO R A ND ITS SOL UT IO NZ h a n g H on g. J in z h ou p e t roch em ica l com p a ny equ ipm en t resea rch in s t itu te, P. C 121001u n co n t in eo u s st re ss f ie ld

33、 o f app lied gap is o b ta in edan d d iscu ssed. B y m ean s o f st re ss eva lu a t io n ca lcu la t io n , th e rec tan gu la r la rge op en in g st ru c tu re o f th is equ ipm en t is safe.A bstra c tT h e h igh so lid co n ten t in slu r ryP re ssu re ve sse l. L a rge op en in g, GapKeyword

34、ssy stem , cau sed b y th e b ad w o rk in greac to rfo rth ef ir stFCCu n it p e t ro ch em ica lcom p an y, affec tedp ro du c t io n o f u n it. B y m ean s o fco n d it io n o finJ in zho u th e no rm a lan a ly sis an de lem en t, S t re ss, S t ren g th eva lu a t io nFA UL T A NALY S IS O N E

35、THYL - BENZEN STEAMSUPERHEA TER FO R STY RENE UN IT A NDIM PRO VEM ENTITSin teg ra ted in sp ec t io n , it is ve r if ied th a t is cau sed b yth e jamm in g up o f cyc ln e d ip leg. In o rde r to avo idan ce o f sim ila r fa ilu re, th e p reven t ive m ea su re is g iven in th is a r t ic le.Key

36、word s R eac to r, C yc lo n e, A b nom a l w o rk in gco n d it io nY a n gS h en g q i, e tc.in s t itu te, P. C 255400Q ilup e t roch em ica l d es ig nT h e e th ye2b en zen steam sup e rh ea te r o fA bstra c tsty ren e u n it in Q ilu p e t ro ch em ica l com p an y isim po r ted f rom A m e r ican lumm u s com p an y. Ow in g to u n rea so n ab le m a te r ia l se lec t io n an d st ru c tu rede sign , th e equ ipm en t o ccu red dam age du r in gD ES IGNA NDTEST INGO FNEWTY PEM A GNET IC D R IVE CENT