《武汉工程大学学报》  2011年12期 77-80   出版日期：2011-12-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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半圆管夹套容器有限元分析


0引言半圆管夹套在工业生产中有着广泛应用，管子横截面形状有弓形和半圆形两种，流量较大时采用半圆形，半圆管成螺旋状分布在反应器外圆柱面上，并与其通过焊接相连接，夹套内有流体通过［1］.一般采用将钢带逐段压制成半圆形，然后拼焊在筒体上的方法，也可将无缝钢管剖开，弯成与筒体相吻合的弧段，再逐段与筒体相焊接.作为夹套容器的一种，同整体夹套容器相比，半圆管夹套有如下优点：结构简单、节约材料、承压范围大、传热效率高及经济适用等.由于半圆管夹套的优越性，在工业生产中应用越来越广，为了使用安全，各国制定了该类容器的强度设计规范.主要包括：美国ASMEⅧ12004《压力容器建造规则》［2］；日本JISB82791993《压力容器夹套（说明）》［3］；德国AD20002004《受压容器及部件设计规范》［4］；欧盟En134452002《非直接受火压力容器》［5］；前苏联标准ΓOCT2586783《夹套容器强度设计规范》［6］等.我国HG 205821998《钢制化工容器强度计算规定》［7］中有关半圆管夹套容器的设计参照了美国ASMEⅧ1中所列的设计方法，其适用于带有半圆管夹套的圆筒或球形、蝶形、椭圆形封头设计.1半圆管夹套容器应力分析方法文献［7］中对半圆管夹套设计规定：容器圆筒和封头部分的名义厚度和有效厚度，按照不带半圆管夹套时的同一容器，根据计算压力为内压或外压，依据GB1501998《钢制压力容器》［8］的相关章节确定，内圆筒轴向或封头经向总应力σ包含由半圆管夹套内压力p′引起的圆筒壁轴向弯曲应力和由容器内计算压力pc在器壁上所引起的轴向薄膜应力.可按如下公式校核：σ=F+σ′=Kp′+pcR2t≤1.5［σ］t
式中，K为系数，可根据半圆管外径、内筒壳体厚度及壳体内径由相应图表查得；p′为半圆管夹套许用压力，MPa；pc为壳体计算压力，MPa；R为圆筒或封头球面部分内半径，mm；t为圆筒或封头有效厚度，mm；［σ］t为圆筒或封头材料在设计温度下的许用应力，MPa.但文献［7］限定采用外径为60 mm、89 mm、114 mm三种尺寸的无缝钢管半圆管夹套应力计算表，而本课题研究夹套外径不在HG 205821998以上三种规定之列，属于非标准半圆管夹套.且总应力σ未将反应器筒体与封头连接区域不连续应力包含其中，具有一定局限性.为了设计和使用安全,本文采用有限元法进行应力分析，并按照JB47321995《钢制压力容器－分析设计标准》进行应力评定［9］.2半圆管夹套工艺参数2.1结构尺寸及工艺参数某化工机械厂设计制造的半圆管夹套的反应器结构如图1所示，筒体实际使用厚度为16 mm.反应器筒体盛装介质为混合物料，半圆管夹套内介质为蒸汽.筒体设计压力为1.3 MPa，夹套设计压力为1.3 MPa，设计温度均为200 ℃.图1半圆管夹套的反应器结构图
Fig.1Structure chart of halfpipe jacket reactor按照HG 205821998设计公式确定半圆管夹套的厚度，按照不带半圆管夹套时同一容器设计方法，依据GB1501998确定圆筒和封头的厚度.经计算初步确定尺寸参数如下：筒体DN 1 800 mm×12 mm，夹套尺寸57 mm×3.5 mm，节距114 mm；封头DN1 800 mm×12 mm.2.2材料性能参数半圆管夹套材料为304钢，筒体和封头材料为16 Mn.304钢在设计温度下的屈服强度σs=144 MPa，抗拉强度σb=406 MPa，许用应力［σ］=130 MPa，弹性模量E=2.06×10 5 MPa，泊松比μ=0.3.材料16 Mn在设计温度下的屈服强度σs=255 MPa，抗拉强度σb=490 MPa，许用应力［σ］=159 MPa，弹性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3.3有限元分析3.1实体模型的建立由于半圆管夹套反应器直径较大，而半圆管的螺旋角较小（1°左右），故可将半圆管夹套视为轴对称结构［10］.由圣维南原理可知，筒体长度应远大于自身边缘应力衰减长度（2.5Rt=260 mm），故取筒体长度ΔL=320 mm（ΔL≥2.5Rt），同时在直筒段取其中二个节距的半圆管作为建模对象，标准椭圆封头按实际尺寸建模.本模型采用的是自底向上的建模方法［11］，其几何模型如图2所示.图2半圆管夹套的几何模型
Fig.2Geometry model of halfpipe jacket3.2网格划分首先定义单元类型和材料属性，采用ANSYS软件提供的PLANE82单元，并设定轴对称选项.由于几何结构的不规则性，而为了得到更精确的结果，可先设定部分边的划分份数，再进行网格划分.网格划分后共生成4 679个单元，15 735个节点.其网格划分如图3所示.图3半圆管夹套反应器网格划分图
Fig.3Grid of halfpipe jacket reactor第12期盖超会，等：半圆管夹套容器有限元分析
武汉工程大学学报第33卷
3.3载荷施加及边界条件由应力分析可知，内圆筒轴向或封头经向总应力由容器内计算压力pc在器壁上所引起的轴向薄膜应力和半圆管夹套内压力p′引起的圆筒壁轴向弯曲应力二者构成.设反应器筒体内侧受压力p1=1.3 MPa，外侧受半圆管压力p2=1.3 MPa时对半圆管夹套模型进行应力分析.边界条件：在反应器筒体的横截面上施加UY方向的轴向位移约束，在模型对称面上施加对称约束.轴向当量位移计算方法如下：σy=p1Di4t1=48.75 MPaεy=σyE=2.321×10-4 MPauy=εy×l=0.115 mm3.4与文献HG 205821998结果对比验证应力分析计算模型正确与否所采用的方法为：将半圆管夹套直径改为60 mm结构形式进行应力分析，再将模拟结果与文献HG 205821998应力校核公式计算结果进行对比.校核公式计算结果如下：σ=Kp′+pcR2t=67 MPa≤195 MPa用ANSYS应力分析结果σmax=66.5 MPa.最大误差小于1%，可证明计算模型的可靠性和准确性.4结果分析和强度校核通过ANSYS提供的通用后处理求解器POST1求解结果，得到Von Mises等效应力分布云图并得出最大危险截面，如图4所示.图4半圆管反应器的等效应力图
Fig.4Von mises of halfpipe jacket reactor由图4可见，最大应力分布在封头与靠近筒体相连接的内壁处，且最大应力值达到142.55 MPa，封头与筒体连接边缘处最大应力远大于直筒体部位应力.由应力评定思想，在沿封头内壁方向路径11与沿封头厚度方向路径22，并分别对路径11和路径22进行应力分类和应力强度评定，如图4所示.根据应力分类的定义，路径11和22处应力类型主要为一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb和二次应力Q.对路径上的应力强度用ANSYS软件自带的线性化处理模块沿路径11和路径22进行应力线性化处理，可得到三个路径上的薄膜应力、弯曲应力和二次应力等.按照文献［9］，利用应力分类和应力分析法来校核危险截面最大的应力强度.由于研究对象是关于具有良好塑性的钢制容器的静载荷问题，故可不必考虑可能导致疲劳裂纹或脆性断裂的峰值应力.由JB47321995可知，应力强度校核应分别满足下列条件：(1)一次局部薄膜应力(PL)强度SⅡ的许用极限应小于等于1.5 KSm.(2)一次薄膜应力加一次弯曲应力(PL+Pb)强度SⅢ的许用极限应小于等于1.5 KSm.(3)一次加二次应力(PL+Pb+Q)强度SⅣ的许用极限应小于等于3 KSm.其中Sm为16 Mn在设计温度下的许用应力，查表知200 ℃时Sm=159 MPa，取载荷系数K=1，则1.5 KSm=238.5 MPa，3Sm=477 MPa.沿路径11线性化处理结果如表1所示.一次局部薄膜应力PL=135.2 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力PL+Pb=137.0 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力强度加二次应力PL+Pb+Q=137.6 MPa<477 MPa,故满足强度要求，即评定结果通过.表1沿路径11线性化分布结果
Table 1Linear distribution results along the path 11项目PLPL+PbPL+Pb+Q应力σ1/MPa104.50105.0107.20应力σ2/MPa-0.914-2.049-1.144应力σ3/MPa-47.92-49.43-47.60当量应力135.2137.0137.6表1中σ1、σ2、σ3分别为三个主应力，三个切应力与主应力相比是一个小量，可忽略不计.数值为正说明受拉应力、为负说明受压应力.沿路径22线性化处理结果如表2所示.其中一次局部薄膜应力PL=95.61 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力PL+Pb=141.6 MPa<238.5 MPa；一次薄膜加一次弯曲应力强度加二次应力PL+Pb+Q=142.6 MPa<477 MPa,故满足强度要求，即评定结果通过.表2沿路径22线性化分布结果
Table 2Linear distribution results along the path 22项目PLPL+PbPL+Pb+Q应力σ1/MPa50.64116.10117.20应力σ1/MPa-0.116-1.212-1.275应力σ1/MPa-60.62-41.23-41.02当量应力95.61141.6142.65结语在正常工况下对非标准半圆管夹套容器进行了有限元应力分析，得到结论如下：a.在正常工况下对半圆管夹套容器进行有限元应力分析，知最大应力分布在封头与靠近筒体相连接的内壁处.b.将危险截面处应力分布进行线性化处理，并按照JB47321995进行应力评定，可得在正常工况下夹套容器是安全的.c.筒体使用厚度可由16 mm减小到12 mm，这样既经济又合理.参考文献：