非等距多鞍座卧式压力容器的有限元分析_图文

1、 化工 设备 与管 道 w w w . t c e d . c o m第 47卷第 6期 2010年 12月 化 工 设 备 与 管 道 PROCE S S EQUIPME NT &PIPIN G Vol. 47 No. 6Dec. 2010非 等 距 多 鞍 座 卧 式 压 力 容 器 的 有 限 元 分 析顾玉钢1, 2, 姚 佐权1, 2(1. 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心 , 合肥 230031;2. 合肥通用机械研究院 , 合肥 230031摘 要 :应用 ANS YS 有限元分析软件 , 以采用分析设计方法的非等距四鞍座大型压力水罐有限元分析计算模型 为 例 ,

2、参照 J B/T 4731 2005标准的相关规定对各部分结构进行确定性强度校核 , 为非等距多鞍座卧式压力容器的 设 计提供有益的探讨。关键词 :有限元分析 ; 大型压力水罐 ; 多鞍座 ; 非等距 ; 应力 中图分类号 :T Q 053. 2文献标识码 :A文章编号 :1009-3281(2010 06-0022-05Finite Elem ent An alysis for Horizon tal Ves sel wit h Mu lt i Une qual-span SaddlesGU Yu-gang1, 2, YAO Zuo-quan1, 2(1. National Technica

3、l R esearch Center on S afety Engineering Pressure V essels and Pip elines, Hefei 230031, C hina;2. H efei General M achinery R esearch Institute, H efei 230031, ChinaAbs tract : C onform ed by the st andard J B 4732 2005a nd by using finite elem ent soft ware AN S YS , a large dia m et er horiz ont

4、a l t ank w it h four unequa l-span sa ddles, which is st ored w it h w at er, w as a na ly tica lly designed. Ev ery st ructure in t he vessel wa s checked on s treng th in consistence with the term s st ipula ted in J B 4732. What present ed in t his article w ill be helpful for t he design of hor

5、izont al v ess el with m ulti sa ddles.Keywords: finite elem ent analys is; la rg e siz e pres sure t ank filled with w at er; m ulti sa ddles; unequa l-spa n; st ress收 稿日期 :2010-08-24作 者简介 :顾玉钢 (1979 , 男 , 山东即 墨人 , 工 程师 , 硕 士。长 期从事压力 容器设 计以 及应力 分析 的工作 和研 究。长期以来 , 大多数卧式压力容器都采用双鞍座支 撑 , 但是随着设备的大型化和 焊接

6、工艺 的逐步 成熟 , 近年来大型卧式圆筒形容 器有了增加 的趋势。但是 内径、 长度和容量的增大受到 双鞍座的 限制 , 支 座间 跨距过大 , 导致产生过度变形 和较大的 应力 , 若 采用 多鞍座结构 , 则会改善受力情 况 , 并能 抑制容器 的振 动1。国内外目前比较通用的 设计方法是将多 鞍座卧式容器简化为受均布载荷的静不定梁 , 利用三弯矩 理论来计算鞍座处的弯矩和鞍座反力 , 采用 L. P. Zick 于 1951年提出的以受均布载荷外伸简支梁的弯矩和 剪力分析为基础 , 在某些假设和理论推导下得出近似 符合实测结果的半理论半实验的方法2。近些年 , 随着欧洲承压设备行业的发

7、展 , 欧洲协 调标准 EN 13445 非直接受火压力容器 第 3篇 l6. 8节明 确 给出 了多 鞍座 卧式 容 器的 设计 方法 , 是 世 界上第一部多鞍座卧 式容 器设 计 的标 准 , 此方 法 针 对常用的鞍座均匀分 布的多 鞍 座卧 式容 器3, 但 对于鞍座非均匀分布的 多鞍 座卧 式 容器 的设 计 , 仍 然 没有可靠的设计方法可遵循。随着有限元理论在压力容器应力分析设计方面的应用日益深入 , 为 复杂 受 力的 压力 容器 结构 进 行 确定性强度校核提供 了途 径 , 本 文将 以采 用分 析 设 计方法设计的非等距四鞍座卧式大型压力水罐为实 例 , 进行 三 维

8、有 限 元 应 力 强 度 计 算 , 并 参 照 J B/T 4731 2005 钢制卧式 容器 标准 相关规 定 4, 进 行了强度校核 , 为非等 距多 鞍 座卧 式压 力容 器的 设 计和研究提供了有效途径。1 相关 特性参数大型压力 水罐 的设计 参数 如表 1所 示 , 主要 几 何尺寸如表 2所示 , 结构简图见图 1。工 设备 与管 道 . t c e d . c o m表 1 设计相关参数项目参 数 设计 压力 /M Pa 10. 5工作 压力 /M Pa 10. 0设计 温度 / 50工作 温度 / 350介质日 常工 业用水 主要 受压元 件材 料 13MnNiMoR腐蚀

9、 裕度 /mm 2. 0焊接 接头系 数1. 0表 2 主要几何尺寸项目参 数容器 长度 /mm 25020容器 直径 /mm 4500筒体 厚度 /mm 120封头 厚度 /mm65鞍座 垫板厚 度 /mm 30鞍座 腹板厚 度 /mm 30鞍座 包角 /(°120鞍座 轴向宽 度 /mm780图 1 大型压力水罐结构大型压 力水罐 筒体、 球 形封 头及垫 板的 材料 为 13MnNiM oR, 鞍座 材 料 为 Q 345R, 各 部 件 材 料 特 性 如表 3所示。表 3 13MnNiMoR 和 Q345R 有关材料性能材料名 称13M nNiMoR Q345R 弹性 模量

10、 /103MPa 204. 9204. 9泊松 比 0. 30. 3材料 密度 /(kg m -3 78507850许用 应力 t/M Pa219188注 :上述数 据材 料温度 均为 50 。2 结构 有限元分析卧式容器中的应力状态和位移是受多种因素支 配的 , 如容器的尺寸 (包括 长度 , 直 径和厚 度 , 鞍 座 形状、 大小和位置 (包括角 度 , 厚度 和宽度 等 、 载 荷 等。基于 L. P. Zick 方法以及 EN 13445标准的多 鞍 座卧式容器 的 设 计方 法 都 没 有 考 虑 以 上 所 有 的 因素 , 所以是不可能获得鞍座 -筒体 相互作用 区域内 的精确

11、局部应力结果。 由于 有限 元 法的 适应 性 , 使 其 成为最适宜于解决此类问题的途径之一。 2. 1 有限元分析模型的建立因大型 压力水 罐结 构和 载荷的 对称 性 , 沿水 罐 结构的中央 径 向 对称 面 切 取 其 一 半 作 为 分 析 模 型 体 , 为了满足计算 精度 要求 , 计算 中选 用了 20节 点 S OLID 95等参实 体 单元。 同时 为 减 少计 算 的误 差 , 在整个筒体上均采用 规则 的 六面 体单 元进 行划 分。 为了满足计算精度的 要求 , 考虑 到鞍 座部 分承 受 的 应力比较大 , 所以 对鞍 座处 的筒 体、 鞍 座垫 板、 腹 板 与

12、筋板上部进行了细 化 , 而 与此 相邻 的部 分采 用 了 过渡划分的方法。整个有限元计算模型共计 24955个单元 , 133448个节 点 , 有 限元 模型 及局 部网 格 划 分情况见图 2、 图 3所示。图 2 大型压力水罐有限元分析计算模型图 3 大型压力水罐局部有限元网格划分为了确保该有限元模型所得到的分析结果精度 在工程可以接受的范 围内 , 表 4给出 了网 格尺 寸 应 力敏感性分析。表 4 网格尺寸应力敏感性分析基本 网格 尺度 加 密网格 尺度 单元数 (最大值 /M Pa 单 元数(最大值 /M Pa xd 3最 大值 相对 误差 /%24955249. 19560

13、63246. 780. 97%由表 4可知 :当 有限 元 模型 网格 密度 加大 一 倍 化工 设备 与管 道 w w w . t c e d . c o m多 , xd3最大 值相 对 误差 小于 5%, 基 本网 格尺 度 模 型网格划分是合适的 , 可满足工程精度要求。鞍座处有垫板 , 垫板与筒体相接部位四周焊接 , 本文假设垫板与筒体 全面 贴合 , 垫板 与筒 体变 形 协 调且无局部大变形 , 所以 垫 板与 其相 接筒 体局 部 可 作为两个共面模型体。 2. 2 结构强度计算图 4以等级图的方式给出了大型压力水罐在 设 计压力下的结构第三强度当量 应力 xd3的 大小和 位

14、置 , 结合图 5可知 , xd 3最大 值出 现在 位于鞍 座 B 中 心 且 靠 近 水 平 中 心 线 处 的 筒 体 外 壁 , 其 值 为 249. 194MPa 。经过 xd3最 大 值 点 沿壁 厚 方 向 确 定 应力分类线 A-A , 偏保守按一 次应力 考虑 , 来 校核 筒 体强度。图 4 设计压力下的水罐分布图 5 设计压力下筒体应力分类线 A-A图 6给出了大型压力水罐筒体剪应力的分布 情 况 , 最大 值出现在 靠近鞍 座 B 边 角处局部 区域的 筒 体内壁 , 其大小为 20. 525M Pa, 这与文献 4中对 于 双鞍座卧式容器“ 在鞍 座平 面上无 加强

15、圈或者 靠 近 鞍座处有加强圈 , 其 最大 剪 切应 力位 于靠 近鞍 座 边 角处 C 、 D 点” 的描述情况类似。图 7给 出了球 形封 头切 向剪应 力的 分布情 况 , 最大值位于鞍座 A 靠近 水平 中心 线处的 封头 内壁 , 其大小为 19. 352M Pa 。图 6 筒体剪应力的分布图 7 球形封头切向剪应力的分布图 8给出了 大 型压 力 水 罐筒 体 轴向 应 力 14的分布 , 轴向应力最大值出现在鞍座 A 靠近水 平 中心线处 , 其 大 小 为 137. 938MPa 。图 9给 出 了 筒 体最高点轴 向应力 1×3沿长 度方向 的分布 , 其最 大

16、值出现在鞍座 A 平 面上 , 其 大小 为 104. 6M Pa 。 图 10给出了筒体最 低 点轴 向应 力 2×4沿 长度 方 向 的分布 , 其最大值 未 出现 在 鞍座 A 、 B 平 面 上 , 相 对 应 数值均 较 小。 这 与 文 献 4中 对 于 双 鞍 座 卧 式 容 器 , 当筒体被封头加强 , 最大轴向应力出现在横截面 最高点或最低点的情况不同。图 8 筒体轴向应力 14的分布筒体周向应力 5, 6, 6 的分 布 情况 见 图 11, 其最大值出现 在鞍 座 B 中 心 且 靠 近水 平 中 心 线 处 的筒体外壁 , 这 与第 三 强度 当 量应 力 x

17、d3最 大 值 位 化工 设备 与管 道 w w w . t c e d . c o m置相重合 , 从此不难看出 , 筒体第三强度当量应力是 与筒体外侧周向应力密切相关。图 9 筒体最高点轴向应力 1×3沿长度方向的分布图 10 筒体最低点轴向应力 1×3沿长度方向的分布图 11 筒体周向应力 5, 6, 6图 12 筒体最低点周向应力 5沿长度方向的分布鞍座包角一般为 120°150°, 钢 制鞍 座的 轴 向 宽度 b 一般大于或等于 8R a (R a 为圆筒 的平均 直径 。当鞍 座 焊 在容 器 上 或 由 于热 膨 胀 , 又 或 轴 向

18、应变容器有可能产生 较大 位移 时 , 其 中支 座应 采 用 滑动支承或滚动装置。支座承受的水平分力 :F s =K 9F(1式中系数 K 9由 文献 4表 7-5查 取 ; 取 鞍 座 A 和鞍座 B 支 座反力 中较大值 , 该 值由有限 元计算 结 果提取 , 该大型 压力水 罐结构中 F A =4. 79×106N, F B =4. 32×106N 。鞍座 腹 板 有 效 截 面 内 的 水 平 方 向 的 平 均 拉 应力 :9=H s b 0(2式中 H s 计算高 度 , 取鞍 座垫 板地 面至 底 板 底面距离和 R a /3两者中的较小者 ;b 0 鞍座

19、腹板厚度。 2. 3 结构强度校核根据上文的计算结果 , 参 照文 献 4相关 规定 ,大型压力水 罐 结 构计 算 模 型 的 应 力 强 度 校 核 见 表5。其中 :(1 在鞍座局部 应力 区域 内 , 尤 其在 靠近 鞍 座边角处 , 存在着较高的应力集中和较大的应力梯度 , 离开该区 , 应力就 很 快地 衰减。 该区 域内 纵向 和 周 向应力分布都是不均 匀的 , 其较 高的 局部 应力 是 薄 膜应力和弯曲应力的 综合 体现 , 可认 为这 些应 力 为 一次加二次应力。但 本文 偏保 守 , 按 照一 次应 力 考 虑 , 故评定标准为 P L 、 P L +P b 均不大于

20、 1. 5KS m 。(2 圆筒轴向应力 14, 应根据操 作和水 压 试验时的各种危险工 况 , 分 别求 出可 能产 生的 最 大 应力 , 然后再根据不同的评定准则进行评定 , 因两种 工况计算方法类似 , 本文 只 给出 设计 压力 作用 下 的14评定结果。(3 圆筒切向剪应力 不应超过设计温度下材 料许用应力的 0. 8倍 , 即 0. 8t, 封头 的 切 向 剪应力 h 应满足 :h 1. 25t-h(3式中 h 由内压在封头中引起的应力。 (4 圆筒鞍座横截面的最低 点处周向 应力 5, 鞍座边角处周向应力 6, 以 及鞍座 垫板边缘 处圆 筒 的周向应力 6应满足以下条件

21、: |5| t(4 |6| 1. 25t (5 |6| 1. 25t(6(5 鞍座腹板有效截面内的水平方向的平均拉 化备 与管 道 w w w . t c e d . c o m应力 9应满足 :923sa(7式中 sa 鞍座材料许用应力。表 5 大型压力水罐结构计算模型的应力强度校核结 构部 位 应力分 类强度校 核 /M Pa评 定结果 备注 筒体P L S I I =204. 3<1. 5t =1. 5219=328. 5通过 PATHA-A P L +P b S I II =249. 1<1. 5t=1.5219=328. 5通过 图 4、 图 514ma x1, 2, 3

22、, 4=137. 9<t =219通过 图 814|min 1, 2, 3, 4|=38. 0<t =45通过 图 8=20. 5<0. 8t=175. 2通过 图 65|5|=200. 4<t=219通过 图 125, 6 ma x|6|, |6 |=246. 7<1. 25t =273. 8通过 图 11球 形封 头 h h =19. 4<1. 25t -h =273. 8-173. 7=100. 1通过 图 7鞍座99=69. 3<0. 667sa=108. 9通过公 式 (7注 :为 设计 温度下 容器壳 体材 料的轴 向许 用压缩 应力 。3

23、 结论(1 在多鞍座卧 式容 器中 , 由鞍 座引 起的 最 大局部应力强度是周向 应力 , 位置 在鞍 座中 心且 靠 近 水平中心线处的筒体 外壁 , 仍处 于鞍 座边 角处 局 部 应力区域内 , 而剪切应力影响较小。 (2 鞍座局部应力区域内较高的局部应力是薄 膜应力和弯曲应力的综合体现。(3 鞍座位置对容器中最大应力值及其所在位 置有重大的影响 , 各 强度 校 核所 需应 力分 量随 鞍 座 离开封头的距离及各鞍座间距的变化规律值得深入 探讨。(4 对于多鞍座 卧式 压力 容 器 , 当圆 筒被 封 头 加强 , 鞍座平面上最大轴向 应力 “ 不一 定” 出 现在 横 截面最高点或最低点 , 本 文 容器 即出 现在 鞍座 边 角 外靠近水平中心线处。(5 本文所介绍的非等距四鞍座卧式压力容器的设 计 方 法 , 其 多 数 评 定 准 则 与 J B/T 4731 2005标准中的双鞍座卧式 压力 容器 相 同 , 但所 有用 于 校 核的数据均来自于结 构三 维有 限 元静 力分 析