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基于Ansys内压圆柱壳体接管开孔等面积补强结构安全性评定

李凤祥  
【摘要】: 压力容器作为过程装备,为满足工艺、结构、工艺控制上的要求要在器身上开孔并接管。压力容器的受力特点决定接管区域的应力状态复杂,压力容器开孔接管后给应力分布与强度带来不利影响。 本文按照GB150-98的规定进行壳体、接管各部分尺寸计算,根据GB150-98等面积补强原理进行补强计算,使用ANSYS建立筒壳接管结构参数化命令流程序,对上述数据进行强度分析计算,并根据JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》进行补强结构的安全性分析。 据应力云图知道,在GB150-98规定的不补强范围内经过测试是安全的。事实证明,GB150-98所规定的不补强结构偏于保守,在使用中尽可以适当放宽,但在使用中要严格进行应力分析。对超范围使用条件测试结果显示,对超压使用(3Mpa)、超直径使用(95mm)、降低厚度使用(5mm)都是安全的,而且最大应力值与安定边界值有很大的空间,具有一定的安全裕量。事实证明,GB150-98所规定的不补强结构偏于保守,在使用中尽可以适当放宽,但在使用中要严格进行应力分析。 承受内压的筒壳开孔接管,接管壁厚度与壳体壁厚度根据所承受的压力载荷来计算,得到的接管壁厚度值与壳体厚度值比较起来要小很多,壳程壁厚与接管壁厚的差异大,结构变形协调能力差。为了进行补强,补强圈的厚度叠加到壳体上之后,强化了接管区的刚度,在较大的应力作用下,接管自身发生弯曲,形成弯曲应力,导致总应力值超标,造成结构失效。 厚壁管结构补强效果优于补强圈结构,而且对于补强圈结构不适宜采用的环境,如高温、低温、交变疲劳、应力腐蚀、大开孔结构以及其它一些特定环境等,建议在设计时优先考虑采用厚壁管补强结构,特别是在一些工况条件要求较高的环境更应如此。 单纯依靠厚壁接管补强,当遇到大开孔、高压力工作环境时,需要提供的补强面积大,单纯依靠接管提供补强面积会造成接管壁厚过大,一是增加接管的生产焊接等制造难度,二是造成新的变形不协调,接管的变形小,而壳的变形大,形成壳体承受的弯矩大。因而,高压力大直径开孔降低总体应力的办法是协调壳体与接管的壁厚,通过接管与补强圈双重补强结构来实现补强面积的提供最安全。 当操作压力达到6.5Mpa时,已经超出前述技术法规所规定的补强圈使用的压力上限,但应力校核结果表明,只要合理进行结构设计,避免接管出项大的弯曲变形和弯曲应力,在超出法规规定的工作压力下,补强圈结构也是可以使用的。对于具体的使用环境必须进行有效的应力计算,以防止出现应力破坏。


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