压力容器接管处受力分析探讨

压力容器接管处受力分析探讨
本文系统的分析了压力容器接管承受压力的情况，同时还对水平方向上加载载荷、非水平方向上加载载荷及轴面上非均匀受力情况进行了应力分析，使我们了解了开孔接管区的复杂应力分布状况，为我们以后进行此类设计提供详实的第一手资料。

标签：压力容器;接管;应力分析
0 引言
压力容器为了完成特定工艺过程需设置压力表、液位表、安全阀、人孔或手孔等，这使得压力容器必须进行开孔和焊接接管。

开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承接面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中;另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力;再者，接管与壳体是通过焊缝连接在一起的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过度圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力。

我们以汇管接管受力情况为例进行分析。

汇管参数：
筒体内径Di=300mm，壁厚tc=24mm，接管外径d0=60mm，壁厚为10mm，接管内伸长度Li=30mm;外径过渡圆角R1=20，内侧过渡圆角R2=10，内压P=4.0MPa，材料的弹性模量E=2.0e5MPa，泊松比为μ=0.3。

1 仅考虑管道受内压作用的应力分析
仅考虑内压作用下应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。

管体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度，取管道长度Lc=600mm，接管外伸长度Ln=100mm。

选择SOLID45（计算软件名）单元对结构进行离散化。

对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移，筒体断面施加轴向平衡面载荷Pc，并按如下公式计算：
Pc=■
其受力模型如下图所示：
■
水平方向承受拉应力和压应力载荷
轴端面有弯矩M时受力
管道轴端截面上有水平方向的应力载荷P1，接管部位承受由自重引起的拉应力载荷P2，基于P1方向的不确定性可以分为三种情况。

映射剖分并施加载荷，首先对筒体断面施加断面平衡载荷，然后在2个对称面施加对称面约束，接着约束接管断面轴向位移，最后对内表面施加内压，进行求解，从计算结果可以看出筒体开孔后的应力分布，可以明显的看出最大应力发生在筒体最高位置与接管的连接区，最大的应力强度为103.031MPa。

下面给出应力沿管道壁远端到开孔接管位置的变化曲线（如图1、2所示）。

从图1上我们可以看到每个节点的应力是从远端一直平稳增长，直到接管与管道的交界处，增长的速度陡然加快，最后在接管内壁处达到最高点。

从图2我们可以看到从接管远端到接管与管道的交界处的应力变化较为平稳，呈现逐渐增高的趋势，一直在交界面处达到峰值，然后开始陡然下降，直到接管内伸部位尽头为止。

从上面的分析也可以看出开孔接管的最大应力处发生在管道与接管的交界位置，故需要对此处的受力状况进行重点关注。

2 水平方向加载载荷的受力情况
基于在实际应用中，直管段的两端法兰连接处会有不同程度上的拉应力或者是压应力，因此我们首先对直管段两端产生拉应力的情况进行了分析和研究，我们假定所选取直管段的轴面上有一个水平方向上的拉应力，我们对此施加载荷大小为60MPa逐渐增加水平载荷的大小，我们得到了一系列管道与接管的交界位置的承压数据（如表1所示）。

表1 水平拉应力与最大承压数据一览表
鉴于直管段轴端也可能承受水平方向上的压应力，我们同样的方法对压应力进行了分析和研究，其在50MPa载荷下逐渐增加水平压力的大小，得到管道与接管的交接位置的承压数据（如表2所示）。

表2 水平压应力与最大承压数据一览表
由于16Mn的许用应力[N]=163MPa，故测试到相应数据即可。

两组拉应力和压应力的数据对比曲线（如图3所示）。

从曲线对比图上可以看出在同样的载荷条件下，交界面处由拉应力产生的承压要远远高于压应力所造成的承压值，并且在有外部载荷作用的条件下也应根据应力方向的不同控制在75MPa和92MPa以内，以确保壳体和接管与管道交界处的安全运行。

3 非水平方向加载载荷的受力情况
由于两个直管段法兰相连接的时候法兰连接部位不可能始终与水平管道方向相垂直，这样如果存在一个与竖直方向的夹角α，则作用在管段轴面上的水平载荷则相应成为cosα的倍数，故此我们得到此种情况下的压应力和拉应力与交界面处承压的对应图，如图4、5所示：
图4 不同角度下拉应力的对应关系
图5 不同角度下压应力的对应关系
从上面的数据对比可以看出当载荷与水平方向有一定程度的夹角时，同样载荷的拉应力产生的载荷依旧高于压应力产生的承压值，但是接管与直管段交界处的承压值会稍微低于水平方向的承压值，而且角度越小越接近于水平方向的承压值。

4 结论
通过分析可以看出，接管在仅受内压作用、受水平方向载荷作用及受非水平方向载荷作用时，接管远端到接管与管道的交界处的应力变化呈现逐渐增高的趋势，在交界面处达到峰值，然后开始陡然下降，直到接管内伸部位尽头为止。

以此也可以看出开孔接管的最大应力处发生在管道与接管的交界位置，故需要对此处的受力状况进行重点关注。

参考文献：
[1]曹岩.SolidWorks工程应用教程[M].西安.西北工业大学出版社，2010.
[2]余伟炜.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京.中国水利水电出版社，2006.
谢蕾（1982-），女，甘肃酒泉人，工程师，2004年毕业于合肥工业大学机械设计制造及其自动化专业，现任中石化中原油建工程有限公司工程师。