开孔补强的常规设计与分析设计之比较

图 2 筒体与接管整体结构 有限元几何模型 (壳单元 )
图 3 筒体与接管整体结构有限元几何模型 ( 实体单元 )
3 有限元计算结果及分析
由壳单元模型计算得到的应 力强度分布云 图 见图 4, 由实体单元模型计算得到的应力强度分布 云图见图 5和图 6。其中图 5考虑了筒体与接管连 接处的角焊缝, 图 6则未考虑此角焊缝。
( 2) 本研究还发现, 接管和筒体连接处角焊缝 的存在能降低连接处的局部薄膜应力和弯曲应力, 证实了焊缝金属对开孔的补强作用。 参考文献:
[ 1] 沈宏元. 圆筒形压 力容器开 孔补强的 计算方法 [ J] . 上海 电力, 2002( 6 ) 32- 35.
[ 2] 阮黎祥, 丁伯民. 开孔 补强的 等面积 法和压 力面积 法的联 系和 区别 兼对 A SM E ( - 2 ( 2007) 开孔补 强的分 析 [ J ]. 化工 设备与管道, 2008, 45( 1) : 15 - 18.
笔者拟采用 GB150等面积补强法和 基于多种 有限元模型的 JB4732分析设计法, 对筒体开孔补强 进行计算和相互比较, 并考察了角焊缝的影响。
1 常规设计的等面积开孔补强计算
笔者所分析的筒体与接管 几何尺寸以及 相关 设计参数见表 1, 筒体与接管整体几何结构剖视图 见图 1。
表 1 筒体与接 管几何尺寸及相关设计参数
图 4 筒体与接管连接结构应力强度分布云图
图 5 筒体与接管连 接结构应力强度分布云图及应力 线性化路径 (有角焊缝 )
图 6 筒体与接管连 接结构应力强度分布云图及应力 线性化路径 (无焊缝 )
若采用壳单元建模和分析, 软件计算结果中已 进行了应力线性化处理, 可直接给出膜应力强度及 膜应力加弯曲应力强度。而若采用实体单元 建模 和分析, 则必须在危险区域沿厚度方向作路径进行 应力线性化计算。本文所作路径用图 5和图 6中连 接处的线条所示, 其中 PATH 3是沿筒体厚度方向, PATH 2是沿接管厚度方向, PATH 4是连接处接管内 外角连接方向 ( 即图中斜线方向 ) , 选此路径是因为 在接管内角处有最大应力 强度。应力强度线 性化
积法中没有考虑弯曲应力的限制, 将其用于大孔补 强设计时有时是不可靠 [ 4] 的。路智敏使用 AN SY S 有限元软件建立了圆柱壳开孔未补强、采用补强圈 补强和采用厚壁接管补强的 3个压力容器模型, 并
求出其极限载荷。结果表明, 采用补强圈补强和采 用厚壁接管补强均使壳体的极限载荷有 了很大的 提高, 厚壁接管补强优于补强圈补强 [ 5] 。
( 2) 计算得到开 孔后被削弱的金属截面积为 A = 631. 32mm2。
( 3) 在有效补强范围内, 可用来补强的金属面 积 A e的计算 步骤: ∃ 壳 体多余的金属 截面积 A 1 = 219. 8 mm2; % 接管多余的管 壁截面积 A 2 = 251. 44 mm2; & 焊缝金属截面积 A 3 = 36 mm2 ( 取焊脚高度 为 6 mm ); ∋用来补强的金属截面积 A e = A 1 + A 2 + A 3 = 507. 24mm2。
K ey w ords: open ing rein forcem ent; convent ion al des ign; an alytical d es ign; defin ite elem en t analysis
在生产中, 压力容器由于工艺、检修、安装等方 面的需要, 要开设各种类型的孔。开孔不仅削弱了 壳体的强度, 而且在开孔的边缘产生很高的应力集 中现象, 成为设备的破 坏源。所以大 多数情况下, 都需要对开孔进行补强计算。许多研究和设计者
( 4) 由于 A e = 507. 24 mm2 < A = 631. 32 mm2, 所以需要另行补强。
2 有限元分析模型的建立
为确定筒体及其接管上各点的应力, 本文应 用 ANSYS有限元软件进行数值 分析, 分 别建立了 筒体与接管整体结构有限元几何分析模型。采用 壳单元 ( she ll 181) 建立的有限元分析模型见图 2, 采用实体单元 ( so lid185) 建立 的有限 元分析 模型 见图 3。其中载 荷为筒体和 接管承 受 1 M P a的内 压; 边界条件为筒体左侧端部为全约束, 接管端部 为环向约束。
项目
内径 /mm
壁厚 材料 温度 腐蚀裕量 设计压力
/mm 型号 /∀
/mm
/M Pa
筒体
1 000
6 16M nR 20
2
1
接管 203 (伸出长 8
20
20
2
1
度 200 mm )
作者简介: 郭晓霞 ( 1963 年 - ) , 女, 山西平遥人, 1985年毕业于太原 理工大学化工机械专业, 副教授, 从事化工设备的教学和研究工作。
计算结果见表 2和表 3。
表 2 接管的应力强度校核
应力 接管位置
分类
接管中 S I 间处 S IV
壳单元 32. 1 34. 6
实体单元 (有角焊缝 )
32. 0
36. 0
实体单元 (无焊缝 )
33. 4
许用应力 157. 6
37. 7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
472. 8
接管与筒 S II 体连接处
156 PA TH 2 PATH 4 PATH 2 PATH 4 236. 4 226. 5 289. 3 316. 1 330. 3
[ 3] 伊新, 薛红卫. 压力 容器圆筒 体上大开 孔补强问 题的探 讨 [ J] . 广州化工, 2008, 36( 2 ) : 80- 82.
[ 4] 张红才. 压力容器大开孔补强结构强度有限元分析 [ J] . 石油化 工设备, 2005, 34 ( 3) , 24 - 26.
[ 5] 路智敏, 刘羽中, 苗文勇. 圆柱壳开孔 补强结构极限载 荷的有限 元分析 [ J] . 内蒙古工业大学学报, 2008, 27 ( 3) : 209 - 212. 收稿日期: 2009-11- 13
( 2) 从表 2和表 3也可以看出, 考虑角焊缝时, 应力强度值明显比不考虑角焊缝时要小, 说明焊缝 具有一定得补强作用。
4 结语
( 1) 本研究结果可以看出, 在各种参数完全相
同的情况下, 由于分析设计法采用了较小的安全系 数, 并在应力分类的基础上, 对壳体和接管连 接处 的局部采用了较大的许用值, 从而能更充分地发挥 材料的潜能, 减小接管的厚度, 降低成本, 充分体现 了既安全又经济的优化设计理念。
第 2期
郭晓霞 等 开孔补强的常规设计与分析设计之比较
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图 1 筒体与接管整体几何结构 剖视图
由内压筒 体的强度设计公式计算得到筒体所 需的名义厚度为 6 mm。由 GB150等面积补强法进 行的计算如下。
( 1) 由于开孔直 径已经大于不另行补强的最 大孔径 89mm, 故此开孔需要补强。
摘 要: 采用不同单元类型建立了筒体开孔接管的有限元模型, 基于 JB4732 钢制压力容器 分析设计标 准 !进 行了强度分析, 考察了接管角焊缝的影响。研究发现, 与采 用 G B150的 等面积 补强法相 比, 采用 JB4732的 分析设 计法更能发挥材料的潜能, 且降低成本; 接 管连接处角焊缝的存在能降低连接处的局部薄膜和弯曲应力。 关键词: 开孔补强; 常规设计; 分析设计; 有限元分析 中图分类号: TQ 051; TH 49 文献标识码 : A 文章编号: 1004- 8901( 2010) 02- 0016- 03
Com parison of Conventional D esign w ith A na lytic D esign for Open ingR einforcem en t
GU O X iao x ia, W E I D ong xue ( 1. M echanical E lectric Eng in eering Colleg e, Be ijing Chem ical Eng ineeringUn iv ersity, B eijing 100029 China; 2. Ch em istry and B iology Eng ineering Colleg e, Ta iyuan Sc ience and T echnology Un iversity, T aiyuan Shanxi 030021 C hina )
Abstract: A uthor has establ ished th e d ef in ite elem ent m odu le of nozzle open ing on the sh ell u sing th e d ifferent un it categories, b ased on th e JB 4732 Steel P ressure V essels A n alysis D esign Standard!, s trength analys is has been m ade, the in fluence of the nozz le fillet w elds has b een investigated. It is d iscovered by research th at using the analys is d es ign m ethod of JB 4732 can m ore b ring the potent ial en ergy of m aterial in to p lace, and can reduce th e cost com paring w ith adop ting the equal area rein forcem ent m ethod of G B 150; the existence of f illet w elds at the nozzle connect ion can low er the local m emb rane / bend ing stresses at the conn ection p lace.