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压力容器上水平接管应力研究的论文

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压力容器上水平接管应力研究的论文

摘要：不同压力容器上通常会连接有水平接管，本文主要探讨了接管法兰在容器上出现的位置和应力大小，通过对应力大小的分析，可帮助生产者避免因应力集中而出现接管断裂的情况，也可帮助生产者找准支撑的位置和确定安装数量。

关键词：水平接管；应力分析；开孔补强

压力容器在化工、轻工、食品等领域应用得十分广泛，因此对压力容器的应力研究也非常重要，而压力容器上接有的水平接管的应力分析，作为其应力分析中的一大重要分支，其研究很少有报道。本文对压力容器上水平接管进行应力分析。

1、水平开孔接管对压力容器的影响

当压力容器上有非径向开口并且连有水平接管时，其应力情况十分复杂。它包括薄膜应力，另外还有筒体与水平接管连接处的边缘应力和开孔接管过渡区的局部集中应力。由于其应力分布不均匀，很容易造成破坏成为危险区。因此，对压力容器开孔区的水平接管作应力分析是设备安全运行的关键。容器连接水平接管时，边缘应力集中分布的原因：首先，设备筒体由于开孔接管造成其承受能力下降，载荷降低，使容器的薄膜应力加强。其次，开孔使容器材料变形不连续，开孔和接管附近有较高的局部应力，连接处也有较高的附加弯曲应力。再者，由于容器开孔后，受自身的缺口和残余应力的影响，再加上水平接管可能还有其他的附加载荷，使得开孔附近成为容器筒体中最薄弱的部分。这种局部应力集中可采用增加补强的方式，使应力集中有很大的缓解。对于压力容器的水平接管结构，其只在开孔处有应力集中的现象，而在离开孔较远的地方仍然处于薄膜应力状态，其应力分析在国内已有大量的研究者进行过应力分析和强度计算，而对压力容器水平接管处应力的分布情况却很少有研究，也没有相关精准的资料可供参考。

2、压力容器水平接管应力的研究分析

压力容器上水平接管的示意图如图1所示（注：本设计不考虑附加载荷，如容器内外压差，只考虑容器本身，如温差应力）。（1）法兰是集中载荷的地方，把法兰和接管看成悬臂梁，可画出如图2所示的应力分析图。剪力方程式：Q=p（0＜x＜L）。弯矩方程式：M=-PX（0≤x＜L）。从图2剪力图和弯矩图中可以看出，剪力在任意位置处均相等,而最大弯矩的地方出现在B点。假设接管的尺寸是φ108×6，法兰的型号为WN100（B）-16RF，那么集中载荷就是法兰的质量4.5kg（45N），外伸量为500mm。Mmax=-PL=-45×0.5=-22.5Nm。从图2可见，B点是最大弯矩的地方，是最危险的截面。危险处B点为接管和容器筒体的连接处。抗弯截面的模量计算公式为：Wz=π（D4-d4）/32D=π×（1084-964）/32×108=4.646×10-5m3。计算最大弯曲应力：σmax=Mmax/WZ=22.5/2.509×105N/m2=0.4843MN/m2＜152MPa。表1为不同公称直径下，外伸量为500mm，16bar压力下带颈对接法兰的需用弯曲应力。从表1中可以看出，最大弯曲应力均远小于需用弯曲应力。公称直径越大，其最大弯曲应力越小。由于外管道的载荷较大，原本不需要支撑的设备在本设计中需要增加支撑。结论：设备主体上开孔的直径越大，越不需要增加支撑。低温容器的结构越简单越好，反而增加更多的支撑对设备筒体不利。设备水平接管可以忽略其法兰的集中载荷，但必须要考虑其垂直载荷。法兰可以想象为受均布载荷P，则P为水平接管的质量。剪力计算方程：Q=pX（0＜x＜L）。弯矩计算方程：M=-1/2qX2（0≤x＜L）。从上图剪力、弯矩图和剪力、弯矩方程可以看出，剪力分布为1条直线，而弯矩分布为1条抛物线。同时从以上剪力和弯矩图中也可以看到，危险截面为B处，即水平接管和容器筒体的焊接处。假设接管的尺寸是φ108×6，外伸长度为500mm；均布载荷量即接管重量为7.5kg（75N）。最大的剪应力Q=75×0.5=37.5N；最大的弯矩为M=1/2ql2=9.375Nm。强度的校核：常温下许用应力为152MPa，通常工程上许用剪切应力与0.7倍的许用拉应力（即许用应力）相等，通过计算可得许用剪切力为106.4MPa。抗弯截面模量计算：WZ=π（D4-d4）/32D=π×（1084-964）/32×108=4.646×10-5m3。剪切面积计算：A=1.923×10-3m2。最大弯曲应力的`计算：σmax=Mmax/WZ=9.375/4.646×10-5N/m2=3.7365MN/m2＜106.4MPa。最大剪应力计算：Q/A=0.0195MPa。

3、水平接管开孔补强方法及适用范围

为了消除接管连接开孔处的局部应力分布集中现象，要对容器进行一定的开孔补强。开孔补强的一般要求为：由于开孔而引起的削弱，效应需要通过足量的金属去补偿。补强金属材料要设置在开孔附近，但外形上要合理配置，以免引起新的应力分布不均的情况再次发生。由于在接管开孔处的应力分布不均现象最为严重，随着远离开孔，其应力分布变得均匀。理论和实践证明，压力容器开孔后，应力分布不均的情况与容器的加载方式有关，因此在进行强度的计算时要将其区别对待，选取最适合的补强方法。

3.1等面积法

等面积补强法是一种适用于受均匀拉伸的开小孔大平板的方法，考虑其开孔附近局部衰减性的集中应力，从而计算在开孔边缘处须加补强材料的截面积，承受容器的荷载应力。同时接管不同，其补强计算所得的应力集中系数会有差异。径向开孔可按照大平面开小孔模型来处理，各应力计算简单，也不致引起较大的误差。而非径向开孔时，由于径向容器曲率存在，双向拉伸的应力与平面不同，同时壳体曲率引起附加的弯矩应力危及安全，对孔边应力会产生较大影响，故而也应考虑入补强计算。因此考虑非径向开孔的孔补强面积，若仍采用等面积法就有可能不满足标准。在JB4732—1995中记录满足某些条件时允许采用等面积补强方法，但该经验方法应用于非径向开孔的安全性仍值得讨论与改进。总的来说，在分析设计中应用等面积法时，径向开孔情况适于使用，计算结果相对安全；而在非径向开孔情况下，必须是对于径向开孔孔径与容器直径比值d/D较小的条件下使用，且结果欠安全。

3.2压力面积法

如果受压区和支承区处于静力平衡状态，也就是说受压区受到的总力与壳体、接管和补强面积的承载力相等时，可以使用压力面积法。压力面积法作为一种经验的方法，只能作为近似的分析方法来使用。根据试验应变测量理论，我们对不同尺寸下的扁平管和圆柱孔管进行了应力测试，并绘制出了削弱系数随应力变化的曲线。将削弱系数的数值直接带入壳体厚度公式中，即可进行补强的精确计算。该方法适用于0.02≤（T-C）/（Di+2T）≤0.1的范围，可用于水平接管内径与筒体内径之比超过《钢制压力容器》等面积补强的适用范围的情况下，并且不能用于超过0.8的大开孔补强计算。当按这种压力面积法进行补强的计算时，其开孔补强的结构尺寸影响了应力集中系数的大小。压力面积法和等面积法的实质理论大体相同，但只是形式上的不同。这两种方法都是以静力强度为依据，其计算方法是基于壳体截面承载力与内力之间的平衡关系，它们之间的区别是对筒体的有效补强范围的考虑不同。

4、结语

从上述图表中可见，最大剪切应力远远小于许用剪切应力，且最大剪切应力基本不随水平接管的公称直径的变化而变化，且对水平接管的强度也无影响。水平接管的直径越大，最大弯曲的应力越小。同最大剪切应力一致的是，最大弯曲应力也是远小于许用弯曲应力和许用剪切应力。同时对于有开孔的容器筒体，其开孔直径越大，所选用支撑的数量可以越少。

作者：闫伟单位：山西焦化设计研究院

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