楊 雄，佟 健，帥玉妹

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

H2S壓力容器結構不連續(xù)區(qū)的應力強度分析與評定

楊 雄，佟 健，帥玉妹

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

利用有限元分析軟件Ansys對OWC-4060A水泥石腐蝕測試儀中H2S壓力容器，在不同壓力、不同溫度條件下的結構不連續(xù)區(qū)進行應力強度分析與評定。結果表明，當壓力容器只承受壓力變化或只有溫度變化引起的熱應力時，最大應力強度主要集中在筒體與封頭錐角過渡處;當壓力和溫度同時變化時，最大應力強度主要集中在接管與封頭焊接圓角處。另外，相對于溫度變化，壓力變化對H2S壓力容器的正常工作產(chǎn)生的影響更大。

H2S壓力容器；結構不連續(xù)區(qū)；Ansys分析；應力強度

OWC-4060A水泥石腐蝕測試儀通過模擬井下溫度和壓力等作業(yè)環(huán)境，用H2S氣體對固井水泥石進行耐腐蝕性試驗，可以對各種水泥石的抗H2S腐蝕能力進行評價。利用該儀器進行試驗時，需要進行加壓、加熱操作，而儀器內(nèi)部儲存有高濃度的H2S氣體，若這些氣體發(fā)生泄漏會污染環(huán)境并可能導致操作人員中毒。過去，設計壓力容器一般采用基于彈性失效準則的規(guī)則設計(DBF)方法[1],該方法簡單易行,但不能分析壓力容器圓角過渡等部位的應力集中的情況。隨著應力分析技術的發(fā)展和對材料破壞行為研究的深入，以彈塑性失效為基礎的分析設計(DBA)[2]為壓力容器的合理設計提供了一種新的方法，其中，國內(nèi)外研究者已經(jīng)運用Ansys對壓力容器結構不連續(xù)區(qū)的應力狀況進行了研究[3-4]。下面，筆者應用大型有限元分析軟件Ansys對H2S壓力容器結構不連續(xù)區(qū)的應力強度進行分析與評定，為該壓力容器的設計提供指導。

圖1 H2S壓力容器結構示意圖

1 H2S壓力容器幾何模型

H2S壓力容器結構如圖1所示。開口半徑R1=400mm，接管壁厚T1=60mm，接管高度H1=400mm，封頭內(nèi)半徑R2=1600mm，封頭壁厚T2=80mm，錐形段斜邊傾角α=75°，錐形段長度H2=250mm，筒體內(nèi)半徑R3=1555mm，筒體厚度T3=160mm，錐形段與筒體鍛造高度H3=1500mm，接管與封頭焊接圓角R4=120°，接管內(nèi)壁倒圓角R5=30°，材料為哈氏合金C-276，設計壓力P=20MPa，設計溫度100℃，設計許用應力Sm=156.67MPa,彈性模量E=2.05×105MPa,泊松比μ=0.3,壓力容器接管與封頭采用焊接結構。

2 有限元模型的建立及分析

圖2 H2S壓力容器有限元模型壓力評定點和應力路徑圖

首先引入2個假設：壓力容器材料連續(xù)、均勻且各向同性；沒有焊接缺陷。由于該壓力容器結構和載荷均具有軸對稱性，為了方便計算，使結果容易收斂，分析時可建立四分之一模型，然后對該壓力容器分別進行結構、穩(wěn)態(tài)熱及熱-結構耦合應力分析。進行結構、穩(wěn)態(tài)熱應力分析時分別選取PLANE82單元(2維8節(jié)點結構實體單元)和PLANE77單元(2維8節(jié)點熱實體單元)，進行熱-結構耦合應力分析時采用間接法[5]，先進行穩(wěn)態(tài)熱應力分析，再進行結構應力分析。采用自適應法劃分網(wǎng)格，并對壓力容器焊接處、錐角過渡處進行局部網(wǎng)格細化，使求解更加準確。圖2所示為H2S壓力容器有限元模型壓力評定點和路徑圖。

2.1 邊界約束條件及載荷

進行結構應力分析時，分別對H2S壓力容器的接管上端端頭和筒體底端施加對稱位移約束，筒體和接管內(nèi)表面施加設計壓力P。進行穩(wěn)態(tài)熱應力分析時，考慮到熱傳遞的3種形式，分析時以對流傳熱為主，其載荷主要是H2S壓力容器接管、封頭和圓筒內(nèi)外兩側的對流傳熱，并將其作為面載荷分別施加到圓筒接管、封頭和圓筒內(nèi)外兩側，從而確定H2S壓力容器單元節(jié)點的溫度，然后再將其作為體載荷施加到每個節(jié)點，從而得出其熱應力。在進行熱-結構耦合應力分析時，由于穩(wěn)態(tài)熱應力分析和結構應力分析的單元類型不一樣，在完成穩(wěn)態(tài)熱應力分析并得到單元節(jié)點溫度分布后，必須對單元類型進行轉換，讀取已經(jīng)生成的單元節(jié)點溫度并作為體載荷施加到對應的節(jié)點上，然后再施加結構應力分析邊界約束條件及載荷。

2.2 計算結果與分析

根據(jù)第三強度理論，采用點處理法和線處理方法，分別在不同壓力(10、15、20、25、30MPa)和不同溫度(50、80、100、120、150℃)條件下，對H2S壓力容器的結構不連續(xù)區(qū)的應力強度進行分析與評定。采用點處理法時，分別在H2S壓力容器封頭與接管焊接圓角過渡處和筒體與封頭錐角過渡處的內(nèi)側(inside)和外側(outside)取4個點(分別為A_A inside點、A_A outside點、B_B inside點、B_B outside點)，并對這4個點的應力強度進行分析與評定(見圖2)。采用線處理法時，分別取壓力容器封頭與接管焊接的圓角過渡處的內(nèi)側點和外側點連接成A_A路徑，筒體與封頭錐角過渡處的內(nèi)側點和外側點連接成B_B路徑，并對2條路徑上的應力強度進行分析與評定。

1)4個點與2條路徑上壓力與應力強度關系 4個點上壓力與應力強度關系如圖3所示。由圖3可知，隨著壓力的增大，4個點上的應力強度也隨著增大，同時在壓力相同的情況下，A_A inside點和B_B inside點應力強度均在其對應A_A路徑和B_B路徑上為最大。其中，當壓力達到25MPa時，A_A inside點和B_B inside點應力強度均超過1.5Sm[6],說明H2S壓力容器上的4個點在該壓力及該壓力以上的應力強度都超過許用應力范圍，但這只能反映4個點上的應力強度，并不能說明其所在路徑上的應力強度是否超出了許用應力范圍。為了進一步了解其所在路徑上應力強度的變化情況，分析了2條路徑上壓力與一次薄膜應力強度關系(見圖4)。由圖4可知，隨著壓力的增大，2條路徑上的應力強度也隨著增大，并且在壓力相同的情況下， A_A路徑上的應力強度最大，其中當壓力達到30MPa時，只有A_A路徑上的一次薄膜應力強度超過1.5Sm。上述分析說明，H2S壓力容器最大應力強度產(chǎn)生在筒體與封頭錐角過渡處的內(nèi)側，應力強度最大截面位于封頭與接管焊接圓角過渡處。

2)4個點與2條路徑上溫度與應力強度關系 4個點上溫度與應力強度關系如圖5所示。由圖5可知，隨著溫度的升高，4個點上的應力強度也隨著增大，而在溫度相同的情況下，B_B inside點、B_B outside點均比A_A inside點、A_A outside點的應力強度大，并且在150℃時，B_B inside點應力強度超過了1.5Sm，說明該點的應力強度超過了許用應力范圍。為了進一步了解其所在路徑上應力強度的變化情況，分析了2條路徑上溫度與一次薄膜應力強度關系(見圖6)，從圖6可以看出，由溫度變化引起的一次薄膜應力在A_A路徑和B_B路徑上較小，均未超過1.5Sm。上述分析說明，不同壓力條件下產(chǎn)生的一次薄膜應力要遠大于不同溫度條件下產(chǎn)生的一次薄膜應力。由此可知，溫度變化對H2S壓力容器應力強度的改變影響較小。

圖3 4個點上壓力與應力強度關系圖 圖4 2條路徑上壓力與一次薄膜應力強度關系圖

3)4個點與2條路徑上壓力和溫度同時變化條件下的應力強度 A_A inside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖7所示。由圖7可知，當溫度一定時，A_A inside點應力強度隨壓力的增大而增大；當壓力一定時，A_A inside點應力強度隨溫度的升高而減小，并且在50℃和25MPa、120℃和30MPa、80℃和30MPa、100℃和30MPa的情況下應力強度均超過了1.5Sm。A_A outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖8所示。由圖8可知，A_A outside點應力強度隨壓力增大、溫度升高而增加，并且在50℃和30MPa、80℃和25MPa、100℃和25MPa、120℃和20MPa、150℃和15MPa的情況下應力強度均超過了1.5Sm。B_B inside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度圖如圖9所示。由圖9可知，只有在30MPa和50℃時，B_B inside點應力強度超過了1.5Sm。B_B outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度如圖10所示。由圖10可知，隨著壓力增加和溫度升高，B_B outside點應力強度也隨著增加，只有在30MPa和100℃、25MPa和120℃、15MPa和150℃時應力強度超過了1.5Sm。

圖7 A_A inside點在壓力和溫度同時變化 圖8 A_A outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度關系圖 條件下應力強度關系圖

A_A路徑在壓力和溫度同時變化條件下的一次薄膜應力強度如圖11所示。由圖11可知，隨壓力的增大(溫度相同條件下)，A_A路徑上的一次薄膜應力強度也增大，當壓力達到30MPa時(任意溫度條件下)，一次薄膜應力強度均超過了1.5Sm，隨著溫度升高(壓力相同條件下)，A_A路徑上的一次薄膜應力強度反而降低。B_B路徑在壓力和溫度同時變化條件下的應力強度如圖12所示。由圖12可知，隨著壓力增大和溫度升高， B_B路徑中一次薄膜應力強度也隨著增大，但均未超過1.5Sm。上述分析說明，最大應力強度發(fā)生在接管與封頭焊接圓角處。

圖9 B_B inside點在壓力和溫度同時變化 圖10 B_B outside點在壓力和溫度同時變化條件下應力強度關系圖 條件下應力強度關系圖

圖11 A_A路徑在壓力和溫度同時變化條件下的 圖12 B_B路徑在壓力和溫度同時變化條件下一次薄膜應力強度關系圖 的一次薄膜應力強度關系圖

3 結 論

1)不同壓力條件下產(chǎn)生的一次薄膜應力要遠大于不同溫度條件下所引起的一次薄膜應力，這說明壓力變化對H2S壓力容器的正常工作起著重要影響。

2)當壓力容器只承受壓力變化或只有溫度變化所引起的熱應力時，最大應力強度主要集中在筒體與封頭錐角過渡處；當壓力和溫度同時變化時，最大應力強度產(chǎn)生在接管與封頭焊接圓角處。

[1]GB150-1998,鋼制壓力容器[S].

[2]JB4732-1995,鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

[3]李蓉.橢圓封頭與筒體連接處不連續(xù)應力分析[J].化工設計通訊，2006,32(2):28-31.

[4]Schindler S, Zem an J L. Stress concentration factors of nozzle-sphere connections[J].Interna tional Journal of Pressure Vessels and Piping, 2003, 80: 87-95.

[5]張國智,胡仁喜.ANSYS 10.0熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

[6]吳粵燊.壓力容器安全技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1999.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.040

TQ053.2

A

1673-1409(2012)10-N127-04