压力容器筒体开孔区域补强设计_杨洋.pdf

0 引言在压力容器设计过程中，一般会采用一些补强措施来降低接管区域的应力集中程度，提高整个压力容器的承载能力。压力容器接管补强分为整体补强和补强圈补强，计算方法主要包括等面积法、压力面积法、分析法和有限元分析法1-2。根据已有文献的应力分析结果可知，整体补强、补强圈补强需要相对较大的壁厚，而厚壁将导致设备受到非常大的热应力作用，不利于设备整体结构的稳定 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环的结构型式进行开孔补强，并利用有摘 要 为了解决压力容器开孔补强造成壁厚增加，进而在介质温度快速变化情况下出现结构不稳定的问题，提出了基于支承板和套环的补强结构型式，并采用ANSYS软件进行了分析和验证。结果显示：该补强结构型式可有效补强筒体开孔区域强度，降低该区域的应力水平，最大应力区域的膜应力最大可降低30%，弯曲应力最大可降低90%，峰值应力最大可降低70%；在补强贡献方面，支承板为主导，而套筒为有益补充；支承板在结构纵向对称面两侧布置的角度范围应不小于30，其补强效果主要体现在降低弯曲应力和峰值应力方面。关键词 压力容器 开孔补强 有限元 ANSYS中图分类号 TH 49 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.08.008Reinforcement Design for the Opening Area of Pressure Vessel BarrelYANG Yang FAN JunAbstract:In order to solve the problem of increased wall thickness caused by the reinforcement of pressure vessel openings,which leads to the loss of structural stability under rapid changes in medium temperature,a reinforcement structure based on support plates and rings was proposed and analyzed and verified using ANSYS software.The results showed that this reinforcement structure type could effectively strengthen the strength of the perforated area of the cylinder,reduce the stress level in this area,and reduce the membrane stress in the maximum stress area by up to 30%,bending stress by up to 90%,and peak stress by up to 70%.In terms of reinforcement contribution,the support plate was dominant,while the sleeve was a beneficial supplement.The angle range of the support plate arranged on both sides of the longitudinal symmetry plane of the structure should not be less than 30,and its reinforcement effect was mainly reflected in reducing bending stress and peak stress.Key words：Pressure vessels;Opening reinforcement;Finite element analysis;ANSYS杨 洋*樊 俊（东方电气股份有限公司核设备设计所）压力容器筒体开孔区域补强设计*杨洋，男，1984年生，硕士研究生，高级工程师。成都市，611731设计与计算化工装备技术30第 44 卷第 4 期 2023 年 8 月2023 年 8 月31限元分析法进行分析和验证，希望为存在温度快速升降工况的压力容器设计提供新的开孔补强方法。1 开孔补强结构设计在不增加筒体和接管壁厚的情况下，采用支承板和套环进行开孔补强，结构型式可见图 1。支承板与接管轴线平行，沿接管圆周方向间隔角度 布置，且关于结构纵向对称面对称，支承板短边与接管表面交点距离筒体表面为 L2，支承板短边与筒体表面交点距离接管表面为 L3；套环布置在接管表面，用于约束接管在内压作用下的变形，其左端面距离筒体表面为 L1。D1D2L11筒体接管套环支承板b1 L2L3T1T2b2图 1 支承板和套环补强结构型式接管区域局部结构的部分几何参数如表 1 所示，其中 D1为筒体直径，D2为接管直径，T1为筒体壁厚，T2为接管壁厚，T3为支承板厚度，T4为套环壁厚，b1为套环长度，b2为支承板宽度。表 1 结构几何参数 mmD1D2L1L2L3T1T2T3T4b1b25002001002525858820020152 有限元仿真分析2.1 有限元模型接管区域的几何形状和载荷都较为对称，为了简化计算建立局部结构 1/4 作为分析模型，考虑支承板数量对补强效果的影响，建立 5 个分析模型，分别含有 0、1、2、3、4 个支承板。采用单元 Solid185 进行网格划分，第 1、第 5 个分析模型的网格离散情况分别如图 2、图 3 所示，二者单元数分别为 64 989、209 918，节点数分别为 187 630、405 444。图 2 接管区域结构离散图（无支承板）图 3 接管区域结构离散图（含4个支承板）接管区域结构纵向和横向对称面为法向位移约束，筒体端面和接管端面施加相应的轴向平衡面力。轴向平衡面力的计算公式为：（1）式中：pe 平衡面力；ps为壳程压力；at 为筒体或接管内圆面积；a0为筒体端面或接管端面面积。筒体、接管、支承板和套环的材料均为 Q235A，该材料常温下的力学性能详见表 2。表 2 材料的主要力学性能屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/MPa泊松比319.43702.11050.32.2 支承板补强效果分析考虑壳程压力为 1、2、3 MPa 这 3 种情况，并根据计算结果在最大应力区域取 3 条路径进行补强效果分析，路径位置如图 4 所示。当壳程压力为 1 MPa 时，5 个分析模型在筒体与接管连接区域的应力强度分布情况如图 5 所示。由图杨洋，等：压力容器筒体开孔区域补强设计第 44 卷第 4 期化工装备技术325 可知，无支承板时，最大应力发生在接管内的拐角处，应力强度值达到 172.32 MPa；当支承板数量为 1个和 2 个时，最大应力的位置转移至结构纵向对称面两侧，应力强度持续下降至 148、129.5 MPa；当支承板数量为 3 个时，补强的角度范围达到 30，承受最大应力的位置转回到接管内的拐角处，应力强度值继续下降至 113.09 MPa；当支承板数量增加至 4 个时，高应力区域减小并进一步集中于接管内的拐角处，使得应力强度值小幅增加，为 113.58 MPa。随着壳程压力的增加，应力强度值随支承板数量的变化展现出规律一致性，具体可见图6。由图6可知，支承板的数量应不小于 3 个，即补强的角度范围不应小于 30，相对无支承板的情况，结构此时的应力强度值将下降约 34.37%。各路径在不同壳程压力和支承板数量情况下的应力值可见表 3。由表 3 可知，支承板数量为 3 时补强效果最好，继续增加支承板的意义不大。相对于无支承板的情况，路径 1 的薄膜应力下降率约为 19.48%，弯曲应力下降率约为 72.87%，峰值应力下降率约为 75.92%；路径 2 的薄膜应力下降率约为 16.48%，弯曲应力下降率约为 38.17%，峰值应力下降率约为 67.48%；路径 3 的薄膜应力下降率约为26.89%，弯曲应力下降率约为 89.02%，峰值应力下降率约为60.45%。由此可见，支承板的补强效果明显，且主要体现在降低弯曲应力和峰值应力方面。表 3 各路径在不同壳程压力及支承板数量情况下的应力值ps/MPa支承板数/个路径1路径2路径3pm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPa10107.60 47.2232.40 114.70 45.5177.37 113.90 77.9823.01193.1241.8121.0997.4040.9161.78 100.70 78.3432.09285.7033.3714.9189.4537.9850.6789.1750.7513.46386.6612.817.8095.7928.1425.1683.298.569.10487.7816.2311.1195.0127.8925.2185.5213.3810.2820215.20 94.4464.81 229.40 91.02 154.70 227.90 156.00 46.021186.20 83.6142.18 194.80 81.81 123.60 201.50 156.70 64.192171.40 66.7429.83 178.90 75.96 101.30 178.30 101.50 26.933173.30 25.6215.61 191.60 56.2750.31 166.60 17.1318.204175.60 32.4622.22 190.00 55.7750.42 171.00 26.7620.5630322.90 141.70 97.21 344.10 136.5 232.10 341.80 233.969.021279.40 125.40 63.27 292.20 122.7 185.30 302.20 235.00 96.282257.10 100.10 44.74 268.40 113.9 152.00 267.50 152.240.393260.00 38.4423.41 287.40 84.4175.47 249.90 25.6927.304263.30 48.6933.33 285.00 83.6675.63 256.60 40.1430.84在分析模型 4 中将 L2和 L3统一修改为 35 mm 或50 mm，考察参数 L2和 L3对补强效果的影响。在壳程施加 1 MPa 压力，结构的应力强度极值和各路径图 4 路径位置示意筒体接管路径3路径2路径1 a）无支承板情况 b）1个支承板情况 c）2个支承板情况 d）3个支承板情况 e）4个支承板情况图 5 结构在不同数量支承板下的应力云图（单位：MPa）01234100150200250300350400450500550 应力强度/MPa支承板数/个 ps=1 MPa ps=2 MPa ps=3 MPa图 6 结构最大应力强度值随支承板数量的变化曲线2023 年 8 月33应力值可见表 4。由表 4 可知，随着支承板逐渐远离筒体与接管的连接点，各项应力值均逐渐升高。由此可见，支承板越靠近筒体与接管的连接点，其补强效果越好。表 4 结构在不同L2、L3值时的应力值L2(L3)/mm路径1/MPa路径2/MPa路径3SINT/MPapm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPa2586.66 12.81 7.800 95.79 28.14 25.16 83.29 8.560 9.10 113.093588.77 19.61 12.31 95.48 30.71 33.98 87.18 23.42 11.08 115.085091.33 24.97 12.09 97.71 34.85 46.83 90.22 38.01 13.31 125.072.3 套环补强效果分析支承板分析结果表明，当支承板数量达到 3 个时，继续增加支承板的意义不大。因此，考虑在分析模型4 中增加套环结构，即在 3 个支承板的基础上进一步采用套环进行补强，并分析套环的补强效果。结构在不同壳程压力情况下的应力强度分布规律可见图 7，各项应力值可见表 5。在增加套环之后，最大应力位置仍然为接管内的拐角处，最大应力强度值有所降低，降低率约为 8.18%。各路径应力总体呈现下降趋势，其中 3 条路径的膜应力均下降，下降率分别约为 4.27%、6.94%和 7.40%；路径 1 的弯曲应力和峰值应力上升，分别约为 10.5%和 29.56；路径 2、3 的弯曲应力和峰值应力均下降，下降率在 10%左右。a）ps=1 MPa b）ps=2 MPa c）ps=3 MPa图 7 结构在不同壳程压力情况下的应力云图（单位：MPa）由表 3 和表 5 可知，在 3 个支承板和套环的联合补强情况下，接管区域最大应力强度值下降约39.74%，路径 1 的薄膜应力下降率约为 22.89%，弯曲应力下降率约为 70.01%，峰值应力下降率约为68.80%；路径 2 的薄膜应力下降率约为 22.28%，弯曲应力下降率约为 46.39%，峰值应力下降率约为69.99%；路径 3 的薄膜应力下降率约为 32.28%，弯曲应力下降率约为 90.49%，峰值应力下降率约为67.20%。3 结语本文在不增加壁厚的前提下，提出了采用支承板和套环进行压力容器的筒体开孔补强的方法，并采用有限元分析法进行分析和验证，得到如下结论：（1）基于支承板和套环的筒体开孔补强结构型式可有效补强筒体开孔区域强度，降低该区域的应力水平。最大应力区域的膜应力可降低约 20%30%，弯曲应力可降低约 40%90%，峰值应力可降低约 70%。（2）在筒体开孔补强方面，支承板占主导，而套筒可提供有益补充。支承板在结构纵向对称面两侧的补强角度范围应不小于 30，其补强效果主要体现在降低弯曲应力和峰值应力方面。参考文献1 左安达.工程常用开孔补强方法的原理探讨及对比分析J.中国特种设备安全,2017,33(12):18-26.2 邵虎跃,孙志刚.压力容器筒体大开孔厚壁管补强计算J.石油和化工设备,2022,25(6):129-131.3 丁伯民.对ASME VIII-2 关于“热应力棘轮现象评定”规定的商榷J.化工设备与管道,2014,51(3):7-12.4 丁伯民.对ASME VIII-2 关于“热应力棘轮现象评定”规定的再商榷J.化工设备与管道,2018,55(1):1-9.5 王泽军，许崇涛，陈志刚.12Cr1MoVG 高温管道中异种钢焊缝引起的局部热应力J.压力容器,2019,36(8):50-56.（收稿日期：2022-10-10）表 5 结构在不同壳程压力值时的应力值ps/MPa补强结构路径1/MPa路径2/MPa路径3SINT/MPapm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPapm/pLpb/MPaQ/MPa1无套环86.66 12.81 7.8095.79 28.14 25.16 83.298.569.10 113.09有套环82.97 14.16 10.11 89.14 24.40 23.22 77.137.427.55 103.842无套环173.30 25.62 15.61 191.60 56.27 50.31 166.60 17.13 18.20 226.17有套环165.90 28.31 20.22 178.30 48.79 46.43 154.20 14.86 15.04 207.683无套环260.00 38.44 23.41 287.40 84.41 75.47 249.90 25.69 27.30 339.26有套环248.90 42.47 30.33 267.40 73.19 69.65 231.40 22.30 22.56 311.52杨洋，等：压力容器筒体开孔区域补强设计