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《华南理工大学》 2012年
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压力容器非径向接管的应力分析与补强研究

邹军  
【摘要】:压力容器是常见的过程装备,由于工艺和结构上的要求,经常需要在压力容器上安装斜向或切向的非径向接管,这种非径向接管需要在容器上开椭圆孔。开孔的结果,不仅削弱了压力容器器壁的强度,而且在在开孔附近产生严重的应力集中,其峰值应力往往高达容器薄膜应力的数倍。因此,如何正确分析非径向开孔附近的应力集中,采用合适的补强方法,是目前压力容器设计中令人关注的课题。 本文以承受内压作用的压力容器非径向开孔接管为研究对象,用有限元法分别模拟研究了非径向接管的非径向角度、接管厚度、接管内伸长度以及补强圈厚度等四个因素对非径向接管开孔区附近应力分布的影响和应力集中系数。 本文主要工作及所得结论如下: (1)非径向接管的应力集中系数随着非径向角度的增大而显著增大,但并不是单调增大。容器的非径向角度在25—45时,应力集中系数较大。同时通过加圆倒角处理对比分析,发现打磨焊缝对于消除容器开孔的残余应力具有积极的效果。 (2)接管补强的效果较好,但接管与筒体刚度差不应过大,当接管筒体厚度比达到1.2时,补强效果开始降低。本文认为,接管筒体厚度比t T一般取0.8—1.2之间较为合适。 (3)内伸接管的补强效果有限,当补强满足要求时,不必再增加接管的内伸长度,否则会造成弯曲应力的增加。如确需采用接管内伸式补强,建议接管内伸长度控制在h2≤0.5T。 (4)补强圈补强效果仅次于接管补强。但是,由于补强圈使筒体局部壁厚加大,造成局部弯曲应力增大,并且补强圈与筒体之间不能完全贴合,难以与筒体形成一个整体,所以抗疲劳性能差。通过有限元模拟结果可知,补强圈厚度在0.8T至1.2T之间较为合适。补强圈补强结构不宜在高压高温容器上使用。 (5)本文借助空间解析几何坐标变换的理论以及回归分析方法,推导出了半经验半理论的非径向接管应力快速计算公式。通过这两个形式简单的公式,可以比较容易地得到非径向接管的应力分布情况。
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