摘 要：本文系統(tǒng)的分析了壓力容器接管承受壓力的情況，同時(shí)還對水平方向上加載載荷、非水平方向上加載載荷及軸面上非均勻受力情況進(jìn)行了應(yīng)力分析，使我們了解了開孔接管區(qū)的復(fù)雜應(yīng)力分布狀況，為我們以后進(jìn)行此類設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的第一手資料。

關(guān)鍵詞：壓力容器;接管;應(yīng)力分析

0 引言

壓力容器為了完成特定工藝過程需設(shè)置壓力表、液位表、安全閥、人孔或手孔等，這使得壓力容器必須進(jìn)行開孔和焊接接管。開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，這是因?yàn)橐环矫骈_孔破壞了殼體材料的連續(xù)性，削弱了原有的承接面積，在開孔邊緣附近必定會造成應(yīng)力集中;另一方面接管的存在使開孔接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，殼體與接管在內(nèi)壓作用下自由變形不一致，在變形協(xié)調(diào)過程中將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力;再者，接管與殼體是通過焊縫連接在一起的，焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸如焊縫高度、過度圓角等會形成局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，形成局部不連續(xù)應(yīng)力。

我們以匯管接管受力情況為例進(jìn)行分析。匯管參數(shù)：

筒體內(nèi)徑Di=300mm，壁厚tc=24mm，接管外徑d0=60mm，壁厚為10mm，接管內(nèi)伸長度Li=30mm;外徑過渡圓角R1=20，內(nèi)側(cè)過渡圓角R2=10，內(nèi)壓P=4.0MPa，材料的彈性模量E=2.0e5MPa，泊松比為μ=0.3。

1 僅考慮管道受內(nèi)壓作用的應(yīng)力分析

僅考慮內(nèi)壓作用下應(yīng)力狀況，為此有限元模型可利用結(jié)構(gòu)的對稱性取開孔接管區(qū)的1/4建模。管體長度及接管外伸長度應(yīng)遠(yuǎn)大于各自的邊緣應(yīng)力衰減長度，取管道長度Lc=600mm，接管外伸長度Ln=100mm。

選擇SOLID45（計(jì)算軟件名）單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。對稱面施加對稱約束，接管端部約束軸向位移，筒體斷面施加軸向平衡面載荷Pc，并按如下公式計(jì)算：

Pc=■

其受力模型如下圖所示：

■

水平方向承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力載荷

■

軸端面有彎矩M時(shí)受力

管道軸端截面上有水平方向的應(yīng)力載荷P1，接管部位承受由自重引起的拉應(yīng)力載荷P2，基于P1方向的不確定性可以分為三種情況。

映射剖分并施加載荷，首先對筒體斷面施加斷面平衡載荷，然后在2個(gè)對稱面施加對稱面約束，接著約束接管斷面軸向位移，最后對內(nèi)表面施加內(nèi)壓，進(jìn)行求解，從計(jì)算結(jié)果可以看出筒體開孔后的應(yīng)力分布，可以明顯的看出最大應(yīng)力發(fā)生在筒體最高位置與接管的連接區(qū)，最大的應(yīng)力強(qiáng)度為103.031MPa。下面給出應(yīng)力沿管道壁遠(yuǎn)端到開孔接管位置的變化曲線（如圖1、2所示）。

從圖1上我們可以看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力是從遠(yuǎn)端一直平穩(wěn)增長，直到接管與管道的交界處，增長的速度陡然加快，最后在接管內(nèi)壁處達(dá)到最高點(diǎn)。

從圖2我們可以看到從接管遠(yuǎn)端到接管與管道的交界處的應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，一直在交界面處達(dá)到峰值，然后開始陡然下降，直到接管內(nèi)伸部位盡頭為止。從上面的分析也可以看出開孔接管的最大應(yīng)力處發(fā)生在管道與接管的交界位置，故需要對此處的受力狀況進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

2 水平方向加載載荷的受力情況

基于在實(shí)際應(yīng)用中，直管段的兩端法蘭連接處會有不同程度上的拉應(yīng)力或者是壓應(yīng)力，因此我們首先對直管段兩端產(chǎn)生拉應(yīng)力的情況進(jìn)行了分析和研究，我們假定所選取直管段的軸面上有一個(gè)水平方向上的拉應(yīng)力，我們對此施加載荷大小為60MPa逐漸增加水平載荷的大小，我們得到了一系列管道與接管的交界位置的承壓數(shù)據(jù)（如表1所示）。

表1 ?水平拉應(yīng)力與最大承壓數(shù)據(jù)一覽表

鑒于直管段軸端也可能承受水平方向上的壓應(yīng)力，我們同樣的方法對壓應(yīng)力進(jìn)行了分析和研究，其在50MPa載荷下逐漸增加水平壓力的大小，得到管道與接管的交接位置的承壓數(shù)據(jù)（如表2所示）。

表2 ?水平壓應(yīng)力與最大承壓數(shù)據(jù)一覽表

由于16Mn的許用應(yīng)力[N]=163MPa，故測試到相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。兩組拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的數(shù)據(jù)對比曲線（如圖3所示）。

從曲線對比圖上可以看出在同樣的載荷條件下，交界面處由拉應(yīng)力產(chǎn)生的承壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓應(yīng)力所造成的承壓值，并且在有外部載荷作用的條件下也應(yīng)根據(jù)應(yīng)力方向的不同控制在75MPa和92MPa以內(nèi)，以確保殼體和接管與管道交界處的安全運(yùn)行。

3 非水平方向加載載荷的受力情況

由于兩個(gè)直管段法蘭相連接的時(shí)候法蘭連接部位不可能始終與水平管道方向相垂直，這樣如果存在一個(gè)與豎直方向的夾角α，則作用在管段軸面上的水平載荷則相應(yīng)成為cosα的倍數(shù)，故此我們得到此種情況下的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力與交界面處承壓的對應(yīng)圖，如圖4、5所示：

圖4 ?不同角度下拉應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系

圖5 ?不同角度下壓應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系

從上面的數(shù)據(jù)對比可以看出當(dāng)載荷與水平方向有一定程度的夾角時(shí)，同樣載荷的拉應(yīng)力產(chǎn)生的載荷依舊高于壓應(yīng)力產(chǎn)生的承壓值，但是接管與直管段交界處的承壓值會稍微低于水平方向的承壓值，而且角度越小越接近于水平方向的承壓值。

4 結(jié)論

通過分析可以看出，接管在僅受內(nèi)壓作用、受水平方向載荷作用及受非水平方向載荷作用時(shí)，接管遠(yuǎn)端到接管與管道的交界處的應(yīng)力變化呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，在交界面處達(dá)到峰值，然后開始陡然下降，直到接管內(nèi)伸部位盡頭為止。以此也可以看出開孔接管的最大應(yīng)力處發(fā)生在管道與接管的交界位置，故需要對此處的受力狀況進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹巖.SolidWorks工程應(yīng)用教程[M].西安.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]余偉煒.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京.中國水利水電出版社，2006.

作者簡介：

謝蕾（1982-），女，甘肅酒泉人，工程師，2004年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任中石化中原油建工程有限公司工程師。