赵荣，木合塔尔·买买提依明

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 ，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

压力容器大开孔接管有限元分析及强度设计的研究

赵荣，木合塔尔·买买提依明

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 ，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

压力容器常见大开孔结构，主要是为了满足其工艺需求，但实践中因实验分析未能达到其安全性与适用性要求，因此，应力分析受到了高度关注，特别是有限元分析法。本文介绍了压力容器设计、开孔补强、有限元分析的概况，重点探讨了压力容器大开孔接管有限元分析及强度设计。

压力容器；大开孔接管；有限元分析；强度设计

压力容器在多个领域均扮演着重要的角色，如化工、石油、医药等，但其复杂结构、工艺要求较高，实际设计中需要开孔，随之破坏了压力容器的强度。为了避免上述问题出现，传统方法为减少开孔，如果不能避免开孔则最大限度地缩小孔径。但实践中面对大开孔结构，因未能有效解决强度设计难题，从而增加了意外事故发生几率。

1 压力容器设计、开孔补强、有限元分析的概况

1.1 压力容器设计

压力容器在实际运行时，常见腐蚀、易燃及有毒等介质，如果其失效，则会造成无法挽回的损失，严重情况下，也会威胁人身安全。为了避免安全事故出现，在设计过程中要求压力容器应具备一定的安全性、环保性与经济性。经调查发现，压力容器失效形式多种，包括刚度、强度、稳定与密封失效等，各失效形式均有着各自的失效准则，以此为依据，分析受压元件压力，对其进行有效控制，在此基础上，方可保证设计质量与效果。

压力容器设计主要为两种，一种为常规设计，其设计准则为弹性失效；另一种为分析设计，其前提条件为应力分析，二者相比，后者优势更为显著，如大幅度提高了设计精度、创新了弹性应力评定方法等。

压力容器大开孔接管的应力状态较为复杂，具体有薄膜应力、边缘应力、局部应力等，为了保证压力容器安全与可靠运行，实践中应充分分析与了解开孔接管应力分布情况，并展开相应的强度设计。

1.2 开孔补强

压力容器受过于集中的局部应力影响，其操作安全将受到严重的威胁，因此，开孔补强得到了有关行业重视。在开孔补强过程中应满足以下要求：为了有效补偿因开孔造成的削弱效应，补强中应利用充足的金属，并将其直接设置在开孔附近部位，并对其外形进行合理的处理，以此防止应力集中问题出现。

目前，大开孔补强方法主要有以下几种：一是等面积法，其优点为简便性，将其用于较小直径的开孔，具有一定的安全性与可靠性，但因其过于简化，实践中因补强材料过大、部分配置不足，使其未能满足大开孔的补强需求；二是压力面积法，它作为近似分析法与经验法，与第一种方法本质一致，虽然其补强范围偏小、补强较为密集，但不适用于开孔率超过0.7的结构；三是极限载荷法，其以塑性失效准则为依据，以壳体模型为前提条件，凭借极限荷载展开了分析，该方法充分考虑了开孔的实际情况，保证了计算准确性；四是A S ME法，该方法在压力面积法的基础上，对薄膜应力强度给予了关注，同时，考虑了弯曲应力强度，以此完善了计算，进一步提高了大开孔补强设计的安全性与可靠性。上述方法均具有一定的差异性与局限性，为了保证强度计算的精准性，使其更加安全与可靠，文本采用了有限元法。

1.3 有限元分析法

2 0世纪中期国外学者提出了有限元分析法，其主要用于处理连续介质问题。它的基本思路便是对连续求解区域进行离散，使其成为有限个数，并以一定方式联结的单元。由于各个单元形状各异，并可以差异化组合，因此，可以对复杂的求解域进行模型化处理。该方法属于数据分析法，通常，分为三个环节，第一划分单元，单元大小与计算精度呈负相关，即：单元越小、精度越高；第二利用简单函数来表达单元位移，此后对各函数进行连接，此时便可获得近似真实的位移函数；第三借助协调条件、叠加原理等，获得多元一次方程组，再引入约束条件，便可得到关于构件强度问题的数值解。

随着科学技术的发展，有限元分析法利用计算机技术得到了迅猛发展，特别是A NS Y S软件出现后，由于其拥有多样的单元库、丰富的材料模型库及差异化的求解器，从而实现了对不同问题的有效求解。我国在设计压力容器时采用了A NS Y S软件，凸显了其精准性、简便性与省时性等优点。

2 压力容器大开孔接管有限元分析及强度设计

2.1 模型构建

压力容器大开孔接管处分布着复杂的应力，其作为应力集中区域得到了设计人员高度重视，为了有效处理其应力分布问题，选用了有限元分析法。在实践中为了保证结果准确，需要构建有限元模型。为了建立三维有限元模型，研究中应充分发挥A NS Y S的作用，特别是其实体造型功能，待造型成功后，经网络划分便可获得模型。

在建立模型时以径向垂直接管压力容器为对象，具体为1/8筒体与1/4接管结构，由于其具有轴对称性，因此，缩短了计算时间，高效利用了计算资源。实践中分别构建筒体与接管模型，通过运算，保证其符合建模要求。此外，对模型进行网络划分，由于网络划分方法、单元形式均直接影响着计算结果，因此，在确定单元类型过程中应充分考虑结构类型、计算分析类型，网络质量、数量、疏密等，经综合考量后，选用了2 0节点三维实体等。

边界条件主要包括位移与荷载边界条件，其中涉及的计算条件有：1.2 MP a设计压力、1焊缝系数、2 0℃设计温度、1.5 mm腐蚀裕量。铜锁A NS Y S软件自动求解后，利用应力云图形象、直观呈现了应力分布状况，同时，在处理应力数据时，使用了线处理法。

2.2 补强结构应力分析

根据有关规定可知，压力容器大开孔接管根据其焊接安装方式，可分为两种补强结构，分别为插入式与安放式，前者又可细化为平齐式与内伸式，因此，从两个角度探讨了三维有限元计算模型的应力情况。

（1）接管平齐式。研究中构建的模型有6个，为了证实其准确性，运用了电阻应变测量法，其中，容器大开率为0.6 5 3 4、壁厚鼻为2，补强结构为平齐式，焊缝系数为1。通过对有关数据观察，未见最大应力值，并且实验结果为模型4结果基本相同。因此，有限元建模具有一定的准确性。

（2）接管内伸式。为了了解接管内伸式补强结构的应力分布情况，本研究构建了两种有限元模型，其不同点表现为接管内伸长度各异，分别为5 0 mm与2 0 0 mm。经计算分析可知，第一个模型：接管和筒体相贯线腹部附件等效应力最大，表现出了明显的集中应力，在实际设计时应对此处进行线性化处理；第二个模型：接管腹部角点处应力较为集中，该特征随着接管与筒壁厚有着紧密的联系，厚度越大，应力集中越明显，因此，在设计过程中应重点关注该参数。

通过对应力分布分析可知，内伸式的接管加强了补强结构，但如果内伸过度，则会增加表面弯曲应力。

2.3 大开孔补强结构应力及补强

一是应力分布，在对压力容器进行强度设计时最为关键的环节便是开孔补强，但大开孔补强结构受内压影响，通过上文分析可知，平齐式或内伸式的筒体开孔接管处均表现出了明显的应力集中问题，具体的应力区为补强相贯区。

二是补强设计。实际设计是为了实现应力线性化处理，需要对应力进行分解，具体分为三部分，分别为沿壁厚的均匀分布、线性与非线性分布，为了有效区分三者，需要借助等效线性化处理法，最为关键点便是对校核线位置及方向进行准确选取。此外，为了保证大开孔补强设计效果，实践中可考虑压力面积法、A S ME法与有限元分析法，但因压力面积法属于经验计算法，未能关注弯曲应力，导致其安全性较差。因此，本文采用了A S ME法，将其与有限元分析法进行了相互验证。对于压力容器大开孔而言，其属于容器薄弱部位，由于其设计规范尚不统一，因此，实践中应尽量保守设计，采用接管补强，对其制作、检验等均进行严格的要求，以此保证容器开孔质量。

3 结语

综上所述，压力容器大开孔接管补强因应力分布特殊，其补强设计超出了既有规定，为了保证补强有效性与安全性，应力分析设计法经不断探索与研究日渐成熟，本文探讨了有限元分析及强度设计。

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