压力容器中补强圈间隙对补强作用的影响

发布时间：2022-10-31 17:05:06 浏览数：次

摘要：本文针对压力容器制造施工过程中，补强圈与容器壳体之间会存在着一定间隙，采用有限元法进行数值模拟，通过建立不同间隙的有限元模型，来研究补强圈与壳体之间存在的间隙对补强作用的影响。

Abstract： In the pressure vessel manufacturing construction， there will be a certain gap between reinforcing circle and the vessel. This paper uses the finite element method to research reinforce effect through creating the different gap finite element model.

关键词：压力容器；有限元法；间隙

Key words： pressure vessel；finite element method；gap

中图分类号：TQ051.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）04-0025-02

0 引言

在压力容器设计过程中，针对容器开孔问题常采用补强圈进行补强。补强圈结构简单，易于制造，应用广泛。补强圈补强是指在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。补强圈一般与器壁采用搭接结构，材料与器壁相同，补强圈尺寸可参照标准确定，也可按等面积补强原则进行计算。当补强圈厚度超过8mm时，一般采用全焊透结构，使其与器壁同时受力，否则不起补强作用。为了焊接方便，补强圈可以置于器壁外表面或内表面，或内外表面对称放置，但为了焊接方便，一般是把补强圈放在外面的单面补强。为了检验焊缝的紧密性，补强圈上有一个M10的小螺纹孔，从这里通入压缩空气进行焊缝紧密性试验。但在压力容器设计开孔补强的理论分析中，通常假设在补强圈与容器壳体之间没有间隙，而压力容器制造施工过程中，补强圈与壳体之间不可避免会产生一定的间隙。因此本文选取容器大开孔为例，采用有限元法进行数值模拟来研究补强圈与壳体之间存在的间隙对补强作用的影响。

1 模型描述

补强圈与筒体及接管之间的焊缝形式参照GB150-2011中焊接接头结构形式确定[4]。筒体内径D=1000mm，壁厚T=10mm，长度L=500mm，接管内径d=500mm，壁厚t=10mm，长度l=150mm，关于补强圈尺寸参照JB4736-2002选取[5]，厚度与筒体保持一致，补强圈与筒体直接缝隙初定为0.2mm，设计压力P=1.6MPa。

筒体、补强圈材料选取Q245R，接管和焊缝采用20钢，设计温度为20℃，具体参数见表1。本文采用1/4局部建模，忽略补强圈上的小螺纹孔，有限元模型如图1所示。

2 边界条件

在对称面上施加对称约束，根据薄壳理论载荷边界条件，设定为在远离相贯区的接管横截面上施加均布边界载荷QY=-P×（d-2×t）2/（4×t×（d-t）），在远离相贯区的筒体横截面上，均布边界载荷QZ-P×D2/（4×T×（D+T））[1]。

为了获得补强区域完整而精确的应力场，以便进行相应的接触力的分析和评定，采用8节点Solid183三维实体单元来模拟实体结构。补强圈内表面与容器外表面建立接触关系，采用4节点12自由度的面-面三维接触单元CONTAC173和TARGET170单元来模拟其接触行为[1-3]。在筒体与接管内壁施加内压P。

3 计算结果分析

初始间隙为0.2mm时，等效应力云图如图2所示，间隙为5.0mm时，等效应力云图如图3所示，等效应力云图如图所示。由图2和图3可见，当间隙为0.2mm时，接管与筒体连接处最大应力为202MPa，当间隙为5mm时，接管与筒体连接处最大应力为193MPa。笔者通过对不同大小间隙进行计算，当间隙增加到10mm时，接管与筒体连接处最大应力为183MPa，最大应力均在接管根部。计算结果表明，补强圈与焊缝之间存在的间隙，可以减小接管根部的应力。

定义三条线性化处理路径如图4所示，线性化处理结果见表2。

由表2可见，此种计算工况可以通过应力评定。在路径1上的薄膜应力值最大，随着补强圈间隙的增大，薄膜应力及薄膜加弯曲应力均减小。因此，通过有限元分析可以表明，补强圈与容器间可以存在一定的合理间隙。

4 结语

通过计算结果分析表明，补强圈与壳体连接处的最大应力值及薄膜应力及薄膜加弯曲应力均随着间隙的增大而减小，最大应力值产生在接管根部，并且间隙的存在降低了接管根部的应力值，说明补强圈与容器间可以存在一定的合理间隙。

参考文献：

[1]基于ANSYS补强圈与筒体间接触的有限元分析[J].化工机械，2010，37（4）：450-453.

[2]姜卫忠.压力容器筒体与补强圈间的接触特性[J].压力容器，2003，20（2）：20-23.

[3]补强圈与壳体接触特性的有限元分析[J].压力容器，2010， 27（7）：22-26.

[4]GB150-2011，钢制压力容器[S].

[5]JB4736-2002，补强圈[S].

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