駱開軍 聶 印 楊 明

(1.國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)(畢節(jié))研發(fā)中心,2.貴州省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院)

基于壓力容器定期檢驗(yàn)錯(cuò)邊的應(yīng)力疲勞分析*

駱開軍1聶 印2楊 明2

(1.國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)(畢節(jié))研發(fā)中心,2.貴州省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院)

建立壓力容器的三維模型，采用有限元法對(duì)筒體厚度為10mm儲(chǔ)氣罐進(jìn)行不同焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊情況下的應(yīng)力分布以及疲勞分布情況分析。研究表明，焊縫位置的應(yīng)力值隨著對(duì)口錯(cuò)邊的增加而增大，安全系數(shù)隨著對(duì)口錯(cuò)邊的增加而減小，當(dāng)焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊為4mm時(shí)，焊縫位置的最大應(yīng)力比焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊為3mm的應(yīng)力大31MPa。驗(yàn)證了定期檢驗(yàn)壓力容器將焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊控制在1/3壁厚范圍內(nèi)的必要性，為壓力容器定期檢驗(yàn)的安全等級(jí)評(píng)估提供了依據(jù)。

壓力容器 焊接接頭 對(duì)口錯(cuò)邊 應(yīng)力分布 疲勞分布

壓力容器作為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的承壓設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、食品、建材、航天、造紙及制藥等行業(yè)[1]。一般情況工作在高壓狀態(tài)下的壓力容器，一旦失效將發(fā)生難以想象的后果，而壓力容器在實(shí)際的工作狀況下，受力情況復(fù)雜多變，對(duì)應(yīng)的失效形式也多種多樣[2]。因此對(duì)壓力容器進(jìn)行可靠的疲勞設(shè)計(jì)、安全校核就顯得非常重要。目前關(guān)于壓力容器主要有兩種設(shè)計(jì)方法：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和有限元分析設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過(guò)增加設(shè)計(jì)的安全系數(shù)來(lái)保證設(shè)備的可靠性，無(wú)法準(zhǔn)確獲取壓力容器的危險(xiǎn)截面或部位，不能獲得工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。有限元應(yīng)力計(jì)算是對(duì)壓力容器在理想工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布進(jìn)行合理的分析，了解壓力容器的應(yīng)力分布情況，找出危險(xiǎn)截面[3,4]。

眾所周知，焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊在壓力容器定期檢驗(yàn)中經(jīng)常遇見，但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)錯(cuò)邊量的研究比較少。王輝等對(duì)超過(guò)錯(cuò)邊量范圍的空氣罐進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試分析，根據(jù)錯(cuò)邊處的應(yīng)力狀態(tài)和水平、缺陷狀況、材料抗裂性能及錯(cuò)邊量的大小進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[5]。郭建軍研究了壓力容器對(duì)接焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊量的控制，對(duì)壓力容器在下料、卷制及組裝等過(guò)程中如何控制對(duì)口錯(cuò)邊量進(jìn)行了詳細(xì)的論述，提出了行之有效的計(jì)算方法與控制措施[6]。

筆者主要針對(duì)定期檢驗(yàn)壓力容器過(guò)程中經(jīng)常遇見的焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊進(jìn)行應(yīng)力疲勞分析，采用有限元法對(duì)壓力容器進(jìn)行流體場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)不同焊接接口錯(cuò)邊對(duì)壓力容器應(yīng)力疲勞進(jìn)行分析，明確錯(cuò)邊參數(shù)對(duì)壓力容器的應(yīng)力分布規(guī)律，為定期檢驗(yàn)壓力容器的定級(jí)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)流體力學(xué)原理，在直角坐標(biāo)系中流體通用控制方程和展開式分別為[7,8]：

div(ρuφ)=div(Γgradφ)+S

(1)

(2)

式中S——廣義源項(xiàng)；

u、v、w——速度在x、y、z方向上的分量，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

φ——通用變量；

ε——能量耗散率；

?！獜V義擴(kuò)展系數(shù)。

第一強(qiáng)度理論即最大主應(yīng)力理論，認(rèn)為不管材料處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生脆性斷裂，都是微單元體內(nèi)的最大拉應(yīng)力達(dá)到了相同的極限，使材料開始破壞，強(qiáng)度條件為：

σ(I)=σ1≤[σ]

(3)

其中σ(I)是按第一強(qiáng)度理論計(jì)算的應(yīng)力，又稱應(yīng)力強(qiáng)度[9]。筒體中的最大主應(yīng)力σ1為環(huán)向應(yīng)力σ，因此有：

(4)

其中，S0為筒體的計(jì)算厚度。若考慮焊接等造成強(qiáng)度削弱，引進(jìn)焊接系數(shù)φ，同時(shí)將中間面直徑D換算為筒體的內(nèi)直徑，即D=Di+S0，同時(shí)考慮腐蝕量C：

(5)

第四強(qiáng)度理論為能量理論。認(rèn)為只要材料的變形能量達(dá)到一定數(shù)值，材料就進(jìn)入破壞，其強(qiáng)度條件為：

(6)

2 模型建立

筆者以某化工廠設(shè)計(jì)壓力為0.8MPa的空氣儲(chǔ)罐為例進(jìn)行分析，容器材料Q245R，內(nèi)徑1 200mm，總高2 944mm，出/入口內(nèi)徑80mm，封頭/筒體壁厚10mm，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 空氣儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

壓力容器的壓力梯度主要來(lái)源于流體介質(zhì)在容器內(nèi)部的流動(dòng)，筆者通過(guò)分析計(jì)算出流體產(chǎn)生的壓力，施加在容器的內(nèi)表面進(jìn)行靜力學(xué)分析，為了得到準(zhǔn)確的流體流動(dòng)情況，設(shè)定以下流體邊界條件：

a.流體在流動(dòng)時(shí)，不考慮時(shí)間對(duì)求解控制方程的影響，流體仿真分析時(shí)，求解的數(shù)學(xué)模型采用湍流模型；

b.入口采用速度邊界條件，出口采用壓力邊界，除入口與出口外，其余與固體的接觸面均視為無(wú)滑移邊界。

容器結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，因此流場(chǎng)分析時(shí)考慮采用周向的1/2作為模型的求解域。

3 有限元仿真結(jié)果

筆者的主要目的是分析A類焊縫在不同焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊情況下的應(yīng)力分布以及對(duì)口錯(cuò)邊對(duì)容器強(qiáng)度與壽命的影響。圖2為流體分析的有限元網(wǎng)格模型圖，圖3為壓力容器的壓力分布圖。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

圖3 壓力分布云圖

通過(guò)利用流體計(jì)算出的壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入靜力學(xué)分析軟件，求取出壓力容器的應(yīng)力、位移、安全系數(shù)分布云圖，如圖4～6所示。

圖4 焊接接頭對(duì)口無(wú)錯(cuò)邊的應(yīng)力云圖

圖5 焊接接頭對(duì)口無(wú)錯(cuò)邊的位移云圖

圖6 焊接接頭對(duì)口無(wú)錯(cuò)邊的安全系數(shù)云圖

根據(jù)圖4～6仿真結(jié)果并結(jié)合材料Q245R的機(jī)械性能可知，壓力容器的強(qiáng)度達(dá)到要求。從圖6可知，壓力容器的最低安全系數(shù)為1.92，根據(jù)強(qiáng)度理論可知，安全系數(shù)只要達(dá)到1.50以上就能滿足壓力容器的強(qiáng)度要求。

根據(jù)壓力容器定期檢驗(yàn)的規(guī)范TSG 21-2016可知，對(duì)口處鋼材實(shí)測(cè)厚度與對(duì)口錯(cuò)邊量的對(duì)比關(guān)系見表1。該壓力容器的壁厚為10mm，則焊接接頭對(duì)口錯(cuò)邊要控制在1/3范圍內(nèi)，因此在定期檢驗(yàn)該壓力容器時(shí)要注意該設(shè)備的對(duì)口錯(cuò)邊應(yīng)該要在3.3mm范圍內(nèi)，圖7、8表示對(duì)口錯(cuò)邊為3.0mm時(shí)的應(yīng)力、安全系數(shù)云圖，圖9、10表示對(duì)口錯(cuò)邊為4.0mm時(shí)的應(yīng)力、安全系數(shù)云圖。

表1 對(duì)口處鋼材實(shí)測(cè)厚度與對(duì)口錯(cuò)邊量 mm

圖7 對(duì)口錯(cuò)邊為3.0mm的應(yīng)力分布云圖

圖8 對(duì)口錯(cuò)邊為3.0mm的安全系數(shù)云圖

圖9 對(duì)口錯(cuò)邊為4.0mm的應(yīng)力分布云圖

圖10 對(duì)口錯(cuò)邊為4.0mm的安全系數(shù)云圖

根據(jù)圖7可知，對(duì)口錯(cuò)邊為3.0mm時(shí)，最大應(yīng)力與對(duì)口無(wú)錯(cuò)邊相差不大，并且最大應(yīng)力的位置也沒(méi)出現(xiàn)在焊縫邊緣。根據(jù)圖8可知，最低安全系數(shù)的位置也沒(méi)有出現(xiàn)在焊縫邊緣。對(duì)比圖7、9可知，當(dāng)對(duì)口錯(cuò)邊為4.0mm時(shí)，最大應(yīng)力比對(duì)口錯(cuò)邊為3.0mm的應(yīng)力增加了14MPa左右。

表2是在同一工況下對(duì)不同焊接接口對(duì)口錯(cuò)邊進(jìn)行有限元仿真，提取出焊縫位置的應(yīng)力、安全系數(shù)和安全等級(jí)，由表2可知，對(duì)口錯(cuò)邊超過(guò)1/3δ后，焊縫位置的應(yīng)力雖然在Q245R屈服強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，但是焊縫處的使用壽命大幅降低，當(dāng)壓力容器使用到一定的時(shí)間，極易引發(fā)安全事故。

表2 不同對(duì)口錯(cuò)邊焊縫邊緣的最大應(yīng)力與安全系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

4.1 焊縫位置的應(yīng)力值隨著對(duì)口錯(cuò)邊的增加而增大，安全系數(shù)隨著對(duì)口錯(cuò)邊的增加而減小。

4.2 根據(jù)檢驗(yàn)規(guī)范TSG 21-2016并結(jié)合壓力容器焊接接口對(duì)口錯(cuò)邊的分析結(jié)果，為該壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)提供合理的依據(jù)。

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TheStressFatigueAnalysisBasedonPeriodicInspectionofPressureVesselMisalignment

LUO Kai-jun1,NIE Yin2,YANG Ming2

(1.NationalEnergyLargeScalePhysicalEnergyStorageTechnologies(Bijie)R&DCenter;2.GuizhouSpecialEquipmentInspection&TestingInstitute)

A three-dimensional model of pressure vessels was established,including having the finite element method employed to analyze both stress distribution and fatigue distribution of the gas storage tank with 10mm-thick cylinder which has misalignment at welded joints.The researches show that,the stress value of the weld is increased with the increase of the misalignment,and the safety factor decreases with the increased misalignment;when the misalignment value is 4mm,the maximum stress at the weld position is 31MPa larger than that of the 3mm’s.This result proves the necessity of regularly inspecting pressure vessels to limit the welded joint’s misalignment within the 1/3 wall thickness and provides a basis for safety evaluation of the pressure vessels.

pressure vessel,welded joint,misalignment,stress distribution,fatigue distribution

駱開軍(1991-)，工程師，從事壓力容器的檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

聯(lián)系人聶印(1986-)，工程師，從事特種設(shè)備的檢驗(yàn)檢測(cè)工作，364016464@qq.com。

TQ051

A

0254-6094(2017)04-0426-05

2016-12-01，

2017-06-22)