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(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

石化设备大多在高温和高压环境下运行，处理的对象多为有毒害的危险物质，其安全设计要求因此普遍高于一般容器 。通常情况下化工容器的设计应符合强度及刚度要求，而对为化学反应提供反应场所的反应容器，则还需要考虑工艺流程对设备的温度要求[1-4]。

夹套有加热或冷却物料以及促使内筒物料维持在特定温度范围内的作用，是反应容器重要的组成部分。夹套一般设计在设备筒体或封头的外侧，使用焊接或法兰连接在一起[5-7]。夹套主要由内筒体和外夹套组成，因内筒体的内、外侧都受压且内侧压力较大，内筒壁厚的设计因此比较复杂，设计的合理性将直接决定夹套的安全性、使用寿命、材料的消耗量及经济技术指标[8-11]。

李建丰等[10]对用钢管作为拉撑件的蜂窝夹套进行应力分析，对比了三角形排列蜂窝夹套与整体夹套结构，分析计算了不同结构夹套应力状况。谢刚[11]分析了矩形蜂窝短管夹套容器的受力情况，提出了此类结构壁板厚度的计算方法。王泽军等[12]对夹套发生的事故进行总结和归类,分析并解释了频发事故的原因。LEUNG V P等[13]利用有限元方法对夹套反应釜进行结构设计，分析结构参数对应力的影响作用并对设计进行优化，使整体质量下降，节约了生产制造成本。

文中借助有限元软件ANSYS建立三角形及正方形排列的短管蜂窝夹套模型，利用结构线弹性处理问题的特点，对短管蜂窝夹套模型进行应力强度分析计算及疲劳校核。

1 短管蜂窝夹套结构尺寸与设计参数

短管蜂窝夹套结构见图1。图1中内筒体尺寸为DN750 mm×40 mm，材料为S31603，长度为980 mm；夹套尺寸为DN950 mm×8 mm，材料为Q345R，高度为920 mm。短管尺寸为Ø30 mm×2 mm，材料为20钢。

设计条件下短管蜂窝夹套主要结构材质的泊松比均为0.3，其他力学性能参数见表1。表1中S31603性能参数数据对应的温度为250 ℃，Q345R和20钢性能参数数据对应的温度为160 ℃。

2 短管蜂窝夹套应力分析

2.1 静应力分析

2.1.1有限元模型

综合考虑短管对结构的影响只涉及内筒体和外夹套以及整体模型的对称性特征，进行正方形排列和三角形排列短管蜂窝夹套的1/4简化有限元建模、网格划分、载荷和边界条件设定，结果见图2。

图1 短管蜂窝夹套结构示图

参数S31603Q345R20许用应力/MPa125.0170.4138.2导热系数/(×103W·mm-1·℃-1)17.97046.05446.054平均线膨胀系数/(×106 ℃-1)16.06011.95411.954弹性模量/(×10-3MPa)179.0193.4193.4

图2 设定载荷和边界条件下不同短管排列方式蜂窝夹套有限元模型

图2中，网格划分采用实体单元。实体单元从SOLID185、SOLID45和SOLID186中选择。其中SOLID185单元是比较常用的实体单元，同时SOLID185单元为8节点三维单元，其计算精度优于具有相同节点数的SOLID45单元。SOLID186单元计算精度虽然高于SOLID185单元，但它是20节点，需要的计算时间大大增加，综合考虑选用SOLID185单元。载荷和边界条件设定主要考虑筒体上端面径向和周向均已固定住，只能在轴向上有位移运动，故在结构筒体的上端面施加UX=UY=0，在筒体下表面施加UX=UY=UZ=0，在对称面上施加对称约束。在内筒体内表面侧施加压力8.0 MPa，夹套内表面侧、内筒体外表面侧及短管外表面同时施加压力1.0 MPa。

2.1.2数值模拟与分析

ANSYS有限元分析得到的短管蜂窝夹套结构的TRASCA最大应力云图和位移云图分别见图3和图4。

图3 静力场作用下不同短管排列方式蜂窝夹套结构TRASCA最大应力云图

图4 静力场作用下不同短管排列方式蜂窝夹套结构位移云图

图3表明，三角形排列方式的短管蜂窝夹套结构总体应力为212.382 MPa，正方形排列方式的短管蜂窝夹套结构总体应力为170.215 MPa。图4表明，三角形排列方式的短管蜂窝夹套结构总体位移为0.160 33 mm，正方形排列方式的短管蜂窝夹套结构总体位移为0.171 051 mm。由图3和图4可知，2种模型结构最大应力点和最大变形均出现在短管与内筒体相连区域，此区域的加强作用最弱，这与实际情况相符合。分析认为，内筒体发生变形对短管产生一个较大的拉力，加之此处存在的几何结构不连续性，使得结构的不连续应力极大提高是在此处出现最大应力值的原因。进一步对2种短管排列方式蜂窝夹套结构进行筒体、外壳及短管的结构应力及变形计算，结果见表2。

表2表明，短管排列方式的改变对蜂窝夹套内筒体、外壳和短管的最大应力影响不大。相对而言，三角形排列结构的总体应力略大、结构变形小，其刚度更好。从强度及刚度综合方面考虑，在实际工程应用中短管蜂窝夹套应多采用三角形排列形式钢管拉撑件。

表2 静力场作用下不同短管排列方式蜂窝夹套结构应力及变形

2.1.3应力强度评定

根据受力情况分析确定的蜂窝夹套危险区域选取危险截面进行线性化处理，提取应力进行应力分类和应力强度评定，评定结果见表3。

表3 静力场作用下正方形及三角形排列蜂窝夹套模型应力强度评定

表3中线性化路径见图3a和图3b，其中K表示载荷组合系数，Sm表示材料的设计应力强度值，Pb表示一次弯曲应力，Q表示二次应力。

由表3可知，2种短管排列方式下蜂窝夹套结构的应力强度评定均合格，可见短管蜂窝夹套在静应力下的设计可行，短管蜂窝有着较大应力裕量，结构设计偏于保守。

2.2 热应力与机械载荷耦合分析

2.2.1热应力分析

热应力分析计算有2种方法，分别为间接法和直接法，文中使用间接法求取热应力。在不同短管排列方式蜂窝夹套结构模型的相应表面施加温度梯度，求出温度场分布，得到后缀为.rth的格式文件，利用ANSYS的前处理器热单元转化结构单元功能，把所求的温度单元节点文件(.rth格式)以体载荷形式施加在图3和图4模型结构的相应表面上，然后进行应力分析计算。

选用热分析单元需要考虑热单元和结构单元的相容性。三维8节点热分析单元SOLID70与SOLID185实体单元相容性比较好，选用SOLID70对蜂窝夹套进行耦合场有限元分析计算，得到不同排列形式的短管蜂窝夹套结构的TRASCA最大应力云图和位移云图，分别见图5～图8。

图5 温度场与静力场耦合作用下正方形短管排列方式蜂窝夹套结构应力云图

图6 温度场与静力场耦合作用下三角形短管排列方式蜂窝夹套结构应力云图

图7 温度场与静力场耦合作用下正方形短管排列方式蜂窝夹套结构位移云图

图8 温度场与静力场耦合作用下三角形短管排列方式蜂窝夹套结构位移云图

由图5～图8可知，在温度场及静力场耦合共同作用下，正方形排列的短管蜂窝夹套最大当量应力计算值为199.982 MPa，三角形排列的短管蜂窝夹套最大当量应力计算值为266.512 MPa。温度变化不是太大，对结构的应力及变形影响不明显。

2.2.2应力强度评定

对危险截面作线性化处理(图5和图6)，并提取应力进行应力分析和应力强度评定，见表4。

表4 温度场与静力场耦合作用下正方形及三角形排列蜂窝夹套模型应力强度评定

由表4可知，应力强度评定合格，短管蜂窝夹套在耦合场下的设计可行，但裕量较大，在结构设计时偏于保守。

3 短管蜂窝夹套疲劳寿命分析

3.1 疲劳敏感点确定

短管蜂窝夹套结构存在周期性循环载荷，为了防止结构发生疲劳失效，对短管蜂窝夹套结构的疲劳寿命进行计算及校核。在正常工作和使用期间，如果应力循环次数低于100 000次，则为低周循环疲劳，反之为高周循环疲劳[14]。目前常见的疲劳设计方法有Sa-N疲劳曲线设计方法、试验疲劳设计方法以及以断裂力学为基础的疲劳设计方法。以断裂力学为基础的疲劳设计在压力容器的疲劳设计中很少使用。

基于试验的疲劳设计，主要是利用试验来确定疲劳寿命，这是最传统的方法，能够获得与实际情况最接近的数据。这种方法虽然可靠，但是在设计阶段，或容器的组成太复杂、太昂贵，以及实际类别、数量太庞大的情况下，无论从人力、物力，还是从工作周期上来说，它都是不大可行的。并且由于容器的结构、外载荷、储存介质和环境存在差异，使得试验结果不具有通用性。

设计疲劳曲线的设计需要利用一个标准的疲劳曲线，标准中的设计疲劳曲线不是由试验确定的原始曲线，而是考虑多种影响因素后，经过修正适合工程应用的设计疲劳曲线。

设计疲劳曲线均考虑了平均应力的影响，因此只需考虑循环载荷所引起的应力，而无需考虑循环中不变化的任何载荷或温度状态所产生的应力，因为其产生平均应力，而平均应力的最大可能影响已包含在疲劳设计曲线中。

综合以上分析考虑，使用Sa-N疲劳曲线方法对蜂窝夹套进行疲劳寿命计算和校核。计算工况下，夹套压力始终保持1.0 MPa，内筒体压力从-0.1 MPa向8.0 MPa变化。因内筒体的压力变化包含了从外压到内压过程，而且这种变化不是按照比例增加的，故疲劳分析计算必须先按照正压和负压分别进行，然后将2种计算结果相减作为整个分析计算的结果，进而找到最大应力强度点的位置，读取最大应力强度幅值，最后利用Sa-N疲劳曲线计算循环次数。不同排列方式的短管蜂窝夹套二倍疲劳应力幅云图见图9。

图9 不同短管排列方式的蜂窝夹套结构二倍疲劳应力幅云图

分析图9的疲劳应力幅云图，可以得到短管蜂窝夹套的疲劳敏感点位置分布，见图10。图10中共有3个疲劳敏感点，分别是内筒和短管焊脚内处A、夹套内侧和短管焊脚处B以及夹套外侧和短管焊脚处C，这些位置存在着较高应力峰值。

图10 短管蜂窝夹套疲劳敏感点分布图

3.2 劳寿命评定

利用有限元数值计算得到模型敏感点的最大应力强度幅值Salt，可以计算交变应力幅值修正值，之后进行修正，修正后的交变应力强幅为：

式中，E为计算疲劳曲线所对应弹性模量，Et为设计温度下材料的弹性模量。使用JB 4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器——分析设计标准》[15]附录C中对应的曲线及表C中的数据计算允许循环次数。短管蜂窝夹套疲劳敏感点疲劳寿命评定结果见表5。

由表5可知，不同排列方式的短管蜂窝夹套结构疲劳寿命均能满足要求，且疲劳寿命存在很大的裕量。

表5 短管蜂窝夹套疲劳敏感点疲劳寿命评定

4 结语

基于ANAYS有限元分析软件，建立了短管蜂窝夹套结构模型，分析了短管排列方式改变对夹套静应力和热-机械耦合应力分布的影响，确定了夹套结构危险截面及其线性化分析路径，提取了危险部位应力并进行应力强度评定。研究结果表明，三角形及正方形排列方式的短管蜂窝夹套结构的最大应力点均出现在内筒体与短管连接处，2种短管蜂窝夹套结构内筒体、外壳和短管最大应力值相差不大，三角形排列方式的短管蜂窝夹套结构总体应力略大，三角形排列方式的短管蜂窝夹套结构变形更小，所对应的刚度较好，危险部位强度及疲劳寿命均满足要求。