宋偉斌 唐志成

【摘 要】壓力容器開孔接管的主要目的是為了符合工藝過程要求，但也造成開孔接管區(qū)具有非常復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。本文主要對壓力容器切向開孔接管區(qū)應(yīng)力進(jìn)行了比較和分析，在掌握壓力容器的筒體、接管以及連接部位應(yīng)力狀況的基礎(chǔ)上，比較了壓力容器正交開孔接管區(qū)以及切向開孔接管連接部位的應(yīng)力狀況。本次研究表明，壓力容器切向開孔接管區(qū)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中狀況，并且隨著接管與筒體連接距離增加逐漸降低了應(yīng)力系數(shù)，具有足夠的切向接管強度。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 切向開孔接管 應(yīng)力分析

目前在電廠、石油化工、制藥以及核工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的是壓力容器開孔接管，起著較為重要的作用。一般來說，在實際工業(yè)生產(chǎn)中大多采用的壓力容器屬于正交開孔接管或者斜接管連接的形式，壓力容器切向開孔接管區(qū)的應(yīng)用是為了滿足某些工藝生產(chǎn)的條件需要[1]。內(nèi)部或外部承受氣體或液體壓力，并對安全性有較高要求的密封容器。隨著我國石油及化學(xué)等工業(yè)的發(fā)展，對壓力容器提出了更高的要求，在實際應(yīng)用的過程中越來越加大了壓力容器工作溫度范圍及容量，并且某些工藝生產(chǎn)還需要具有耐介質(zhì)腐蝕性質(zhì)。為了便于物料流動以及設(shè)備的檢修，因此在實際化工生產(chǎn)的過程中需要在壓力容器上添加安全閥以及壓力表等輔助設(shè)備，但開孔接管會在一定程度上增加開孔或接管區(qū)域應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力過于集中，從而對設(shè)備的承載能力造成較為嚴(yán)重的影響。有限元分析方法能較為準(zhǔn)確地分析及設(shè)計壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力，從而確保壓力容器在實際應(yīng)用過程中的高效及安全。

1 幾何模型尺寸及特性

本次研究中，采用有限元分析方法對壓力容器進(jìn)行分析的過程中將溫度控制在25℃左右，且施加的內(nèi)壓為0.1Mpa。本次研究中采用的幾何模型尺寸及特性主要為：筒體內(nèi)徑為2000mm，壁厚為30mm，材料為16MnR，彈性模量為2.1×105，泊松比為0.3v；接管內(nèi)徑為300mm，壁厚為15mm，材料為16MnR，彈性模量為2.1×105，泊松比為0.3v。

2 應(yīng)力分析

2.1 幾何模型及載荷

本次模擬中使用的有限元模型是根據(jù)壓力容器的結(jié)構(gòu)特性和載荷特征而選用的對稱1/2模型。但由于壓力容器的結(jié)構(gòu)及載荷均為軸對稱，所以在實驗的過程中可以在其對稱面施加一定的對稱約束，并且在接管端部施加一定量的軸向位移約束[2]。在本次模擬的過程中于壓力容器的筒體及接管內(nèi)表面施加0.1Mpa的壓力載荷，并且忽略重力及外壓對結(jié)果的影響。

2.2 應(yīng)力分析結(jié)果

本次研究中筒體上正交開孔接管應(yīng)力等值線，我們可以明晰地看到：應(yīng)力值在距離壓力容器開孔接管處較遠(yuǎn)的地方無明顯變化，因此此處的應(yīng)力值基本上屬于筒體本身的薄膜應(yīng)力；而應(yīng)力值變化幅度最大的地方在于壓力容器開孔接管連接區(qū)，此處的應(yīng)力非常集中，應(yīng)力值max為15.58MPa。從表面連接邊緣處應(yīng)力分布狀況及曲線圖我們可以得出，應(yīng)力呈現(xiàn)出較為對稱的分布狀況主要是集中于壓力容器接管與筒體連接區(qū)內(nèi)的表面，并且在此區(qū)域中最大應(yīng)力值主要是分布于壓力容器的接管與筒體連接區(qū)域的左右兩側(cè)，應(yīng)力值max為8.71MPa。

壓力容器筒體上切向開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況中我們可以看出，在應(yīng)力最大的系數(shù)值于壓力容器筒體與接管相切處，應(yīng)力集中系數(shù)max為6.76，并且在該區(qū)域附近的出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力變化大及應(yīng)力梯度較大狀況[3]。其中應(yīng)力系數(shù)相對較小的區(qū)域在開孔部位附近筒體壁面，在此區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)max為5.01。因此我們可以得出應(yīng)力集中系數(shù)值在壓力容器切向開孔接管形式中較大[4]。在內(nèi)表面連接邊緣處應(yīng)力分布狀況及曲線圖我們可以看出，應(yīng)力狀況在壓力容器接管與筒體連接區(qū)的表面處于左右基本對稱的狀況，但這種對稱的狀況并不體現(xiàn)在其上下分布區(qū)域，并且在接管與簡體相切處的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大應(yīng)力值，為27.3MPa。

通過上述的研究中我們可以得出，應(yīng)力值在距離壓力容器開孔接管處較遠(yuǎn)的地方無明顯變化，因此此處的應(yīng)力值基本上屬于筒體本身的薄膜應(yīng)力；而應(yīng)力值變化幅度最大的地方在于壓力容器開孔接管連接區(qū)，此處的應(yīng)力非常集中。在應(yīng)力最大的系數(shù)值于壓力容器切向開孔接管區(qū)筒體與接管相切處，因此切向開孔接管區(qū)與正交開孔接管相比，筒體上切向開孔接管容易在應(yīng)用的過程中變?yōu)榇箝_孔結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上加劇筒體幾何的不連續(xù)性，導(dǎo)致更大的應(yīng)力值出現(xiàn)[5]。因此在實際應(yīng)用的過程中應(yīng)該盡可能地選擇正交接管形式。

3 結(jié)語

一般來說，在目前在電廠、石油化工、制藥以及核工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中大多采用的壓力容器屬于正交開孔接管或者斜接管連接的形式，壓力容器切向開孔接管區(qū)的應(yīng)用是為了滿足某些工藝生產(chǎn)的條件需要。本次對壓力容器切向開孔接管區(qū)應(yīng)力狀況采用有限元分析軟件進(jìn)行分析的過程中，可以發(fā)現(xiàn)在連接區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中狀況，且應(yīng)力最大值均位于壓力容器與接管相切處的內(nèi)側(cè)，隨著距離的增加其應(yīng)力集中系數(shù)將隨之減小。由于切向開孔接管區(qū)筒體上切向開孔接管容易在應(yīng)用的過程中變?yōu)榇箝_孔結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上加劇筒體幾何的不連續(xù)性，導(dǎo)致更大的應(yīng)力值出現(xiàn)。因此在實際應(yīng)用的過程中應(yīng)該盡可能地選擇正交接管形式。本次研究結(jié)果說明壓力容器切向開孔接管區(qū)具有足夠的強度，符合安全生產(chǎn)的要求。但還需要加強對開孔接管區(qū)的強度狀況進(jìn)行評定，分析研究封頭上切向接管應(yīng)力，確保其在生產(chǎn)過程中的安全性及可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王定標(biāo)，魏新利，向颯 等.壓力容器切向開孔接管區(qū)的應(yīng)力分析設(shè)計[J].石油機械，2006，34（4）：156-157.

[4]魏嚴(yán)凇，李文雙，史曉磊 等.壓力容器水位參數(shù)在堆芯損傷評價方法中的應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（Z1）：385-388.

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