基于有限元模拟的夹套容器应力分析探究

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

夹套容器具有传热效率高、结构紧凑、筒体受力性能优良、节约材料等特点，该结构同时被广泛地应用在化工、食品、医疗、能源等领域[1，2]。 夹套式容器是指在容器壳体外包有完整的封闭腔体用来加热或冷却容器内物料的一种容器[3]，利用有限元模拟法对压力容器进行应力分析是广泛应用在工程实践中的一种可靠的方法。本文即是利用有限元模拟法对夹套容器进行应力分析研究。

陈多将具有损伤参数的本构模型引入到有限元软件程序中，通过基于里茨法的梁与矩形板弯曲问题解的比较，验证了该方法的正确性[4]。瞿希梅采用有限元分析软件建立了储罐结构的精细化有限元模型，探究了罐体结构振动特性的影响及其规律，以及预应力、罐内气压和底板约束数量对外罐结构振动特性的影响规律[5]。这些研究成果对夹套容器的应力分析有着一定启示作用。

1 容器基本介绍与有限元模型建立

该夹套容器结构如图1、图2所示，各部件分别为筒板、筒门框、筒门、内筒、外筒、筒封板、内接管、夹层接管；内筒壁厚为20mm，外筒壁厚为10mm，筒板与筒封板壁厚为85mm，筒门厚度为50mm，整体外径为1720mm，长度为2170mm，其他部件尺寸可根据图中比例尺获取；筒门可依靠外部机械传动构件（非承压部件未画出）移动，上述材料皆选用结构钢。

对该夹套容器建模后进行网格划分，共划分4117003个四面体结构单元；在筒门与筒门框以及筒板与筒门框设置为摩擦接触；在内筒与外筒之间夹层注入冷却水其温度为15℃、其压力0.6MPa；筒内可注入氩气、氮气等介质其压力为1MPa（后文称为内压）、温度为70℃（后文称为内温）。并定义上述条件为参照边界条件。

图1 夹套式容器立体图

图2 夹套式容器剖面图

2 容器应力分布

以上述的参照边界条件为基础，对模型进行有限元分析计算发现其应力强度分布云图如图3所示。

通过应力强度云图发现应力较大区域集中在红色区域即内外筒与筒板和筒封板连接部位、筒门筋板、筒门框角及与其接触的筒板附近区域。

针对上述应力集中的现象，在制造时宜在内外筒与筒板筒封板连接处添加筋板以缓解应力集中的现象，筒门筋板处应力集中可通过增加筋板厚度来处理，筒门框角应力较大可以通过在增加筒门框厚度或者添加筋板的方式来降低应力，筒门框接触的筒板附近区域较大的应力可以通过增加两者接触面积来减小应力。

图3 选材为结构钢时应力强度分布云图

3 不同内压对容器应力分布的影响

以第一节所述的参照边界条件为基础，设内压作为自变量；当内压为0.6MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa时，对模型进行有限元分析计算发现其应力强度梯度分布云图与前文图3类似，在上述的模拟分析结果中选取同样位置的1000个节点（选取节点位置见图4）的应力强度在图5中表示，内压与选取节点应力强度平均值关系如图6所示。由上述数据得，在其他边界条件不变时所选内压幅值范围内，容器内压与其应力强度为正比关系。

图4 选取节点位置示意图

图5 四种内压模拟结果节点应力强度对比图

图6 内压与选取节点应力强度平均值关系图

4 不同内温对容器应力分布的影响

以第一节所述的参照边界条件为基础，设内温（介质温度）作为自变量；当内温为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃时，对模型进行有限元分析计算发现其应力梯度强度分布云图与图3类似。

在上述的模拟分析结果中选取同样位置的1000个节点的应力强度在图7中表示，内压与选取节点应力强度平均值关系如图8所示。由上述数据得，在其他边界条件不变时所选内温幅值范围内，容器内温与其应力强度为正比关系。

5 夹套式容器检验

检验的重点部位应当为第二节中所述部位，通过有限元分析发现比常规结构容器检验[6]更要注意的是，该结构的检验还应注意筒门筋板、筒门框角及与其接触的筒板附近区域的安全状况，对这些部位须加强宏观检查以确认其是否存在裂纹、鼓包、变形、机械损伤、腐蚀等现象，同时可利用磁粉、超声、渗透、射线检测等手段排除其有表面与埋藏缺陷的可能[7]。对重点部位选取测厚点数量不少于15点以探查其是否有减薄现象的发生[8]。

图7 五种内温模拟结果节点应力强度对比图

图8 内温与选取节点应力强度平均值关系图

6 结论

在第1节所述条件中，经有限元分析发现应力集中区域为内外筒与筒板和筒封板连接部位、筒门筋板、筒门框角及与其接触的筒板附近区域，并给出处理方法以及后期检验注意事项。

由前文数据所得内压、内温与材料应力强度成正比关系。该结构部分区域在0.6MPa到2MPa区间中内压与应力强度比例系数约为48（即内压变化1Pa，应力强度变化约48Pa）。在40℃到80℃区间中内温与应力强度比例系数约为0.31MPa/℃（即内温变化1℃，应力强度变化约0.31MPa）。该比例系数对其他工况下压力容器的设计、制造与检验亦具有一定的参考价值。