压力容器切向开孔接管区的应力分析设计

宋伟斌 唐志成

【摘 要】压力容器开孔接管的主要目的是为了符合工艺过程要求，但也造成开孔接管区具有非常复杂的应力状态。本文主要对压力容器切向开孔接管区应力进行了比较和分析，在掌握压力容器的筒体、接管以及连接部位应力状况的基础上，比较了压力容器正交开孔接管区以及切向开孔接管连接部位的应力状况。本次研究表明，压力容器切向开孔接管区出现了较为明显的应力集中状况，并且随着接管与筒体连接距离增加逐渐降低了应力系数，具有足够的切向接管强度。

【关键词】压力容器 切向开孔接管 应力分析

目前在电厂、石油化工、制药以及核工业等工业生产中广泛应用的是压力容器开孔接管，起着较为重要的作用。一般来说，在实际工业生产中大多采用的压力容器属于正交开孔接管或者斜接管连接的形式，压力容器切向开孔接管区的应用是为了满足某些工艺生产的条件需要[1]。内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密封容器。随着我国石油及化学等工业的发展，对压力容器提出了更高的要求，在实际应用的过程中越来越加大了压力容器工作温度范围及容量，并且某些工艺生产还需要具有耐介质腐蚀性质。为了便于物料流动以及设备的检修，因此在实际化工生产的过程中需要在压力容器上添加安全阀以及压力表等辅助设备，但开孔接管会在一定程度上增加开孔或接管区域应力，导致应力过于集中，从而对设备的承载能力造成较为严重的影响。有限元分析方法能较为准确地分析及设计压力容器开孔接管区的应力，从而确保压力容器在实际应用过程中的高效及安全。

1 几何模型尺寸及特性

本次研究中，采用有限元分析方法对压力容器进行分析的过程中将温度控制在25℃左右，且施加的内压为0.1Mpa。本次研究中采用的几何模型尺寸及特性主要为：筒体内径为2000mm，壁厚为30mm，材料为16MnR，弹性模量为2.1×105，泊松比为0.3v；接管内径为300mm，壁厚为15mm，材料为16MnR，弹性模量为2.1×105，泊松比为0.3v。

2 应力分析

2.1 几何模型及载荷

本次模拟中使用的有限元模型是根据压力容器的结构特性和载荷特征而选用的对称1/2模型。但由于压力容器的结构及载荷均为轴对称，所以在实验的过程中可以在其对称面施加一定的对称约束，并且在接管端部施加一定量的轴向位移约束[2]。在本次模拟的过程中于压力容器的筒体及接管内表面施加0.1Mpa的压力载荷，并且忽略重力及外压对结果的影响。

2.2 应力分析结果

本次研究中筒体上正交开孔接管应力等值线，我们可以明晰地看到：应力值在距离压力容器开孔接管处较远的地方无明显变化，因此此处的应力值基本上属于筒体本身的薄膜应力；而应力值变化幅度最大的地方在于压力容器开孔接管连接区，此处的应力非常集中，应力值max为15.58MPa。从表面连接边缘处应力分布状况及曲线图我们可以得出，应力呈现出较为对称的分布状况主要是集中于压力容器接管与筒体连接区内的表面，并且在此区域中最大应力值主要是分布于压力容器的接管与筒体连接区域的左右两侧，应力值max为8.71MPa。

压力容器筒体上切向开孔接管区的应力状况中我们可以看出，在应力最大的系数值于压力容器筒体与接管相切处，应力集中系数max为6.76，并且在该区域附近的出现较为明显的应力变化大及应力梯度较大状况[3]。其中应力系数相对较小的区域在开孔部位附近筒体壁面，在此区域应力集中系数max为5.01。因此我们可以得出应力集中系数值在压力容器切向开孔接管形式中较大[4]。在内表面连接边缘处应力分布状况及曲线图我们可以看出，应力状况在压力容器接管与筒体连接区的表面处于左右基本对称的状况，但这种对称的状况并不体现在其上下分布区域，并且在接管与简体相切处的内侧出现最大应力值，为27.3MPa。

通过上述的研究中我们可以得出，应力值在距离压力容器开孔接管处较远的地方无明显变化，因此此处的应力值基本上属于筒体本身的薄膜应力；而应力值变化幅度最大的地方在于压力容器开孔接管连接区，此处的应力非常集中。在应力最大的系数值于压力容器切向开孔接管区筒体与接管相切处，因此切向开孔接管区与正交开孔接管相比，筒体上切向开孔接管容易在应用的过程中变为大开孔结构，从而在一定程度上加剧筒体几何的不连续性，导致更大的应力值出现[5]。因此在实际应用的过程中应该尽可能地选择正交接管形式。

3 结语

一般来说，在目前在电厂、石油化工、制药以及核工业等工业生产中大多采用的压力容器属于正交开孔接管或者斜接管连接的形式，压力容器切向开孔接管区的应用是为了满足某些工艺生产的条件需要。本次对压力容器切向开孔接管区应力状况采用有限元分析软件进行分析的过程中，可以发现在连接区域出现较为明显的应力集中状况，且应力最大值均位于压力容器与接管相切处的内侧，随着距离的增加其应力集中系数将随之减小。由于切向开孔接管区筒体上切向开孔接管容易在应用的过程中变为大开孔结构，从而在一定程度上加剧筒体几何的不连续性，导致更大的应力值出现。因此在实际应用的过程中应该尽可能地选择正交接管形式。本次研究结果说明压力容器切向开孔接管区具有足够的强度，符合安全生产的要求。但还需要加强对开孔接管区的强度状况进行评定，分析研究封头上切向接管应力，确保其在生产过程中的安全性及可靠性。

参考文献：

[1]高慧峰，高勇，加万里 等.压力容器开孔接管区应力的有限元分析[J].广州化工，2013，41（14）：170-171，189.

[2]温洁明，边立静，黄艳阳 等.压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究[J].装备制造技术，2006，09（4）：27-28，29.

[3]王定标，魏新利，向飒 等.压力容器切向开孔接管区的应力分析设计[J].石油机械，2006，34（4）：156-157.

[4]魏严凇，李文双，史晓磊 等.压力容器水位参数在堆芯损伤评价方法中的应用[J].原子能科学技术，2014，48（Z1）：385-388.

[5]金頔，李飞，刘晓晶 等.大功率先進压水堆压力容器外部冷却能力研究[J].原子能科学技术，2014，16（2）：277-284.