潘新偉，江武志，楊心理，徐慧敏

(1.中國昆侖工程公司大慶分公司，黑龍江大慶 163714;2.大慶石化公司機(jī)械廠，黑龍江大慶 163711)

0 引言

球罐人孔補(bǔ)強(qiáng)通常采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，即以全焊透焊縫將整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊。整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件即人孔凸緣結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中其開孔補(bǔ)強(qiáng)計算通常采用GB 150—2011《壓力容器》等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則和有效補(bǔ)強(qiáng)范圍的規(guī)定。于廣彥等［1－2］在編寫標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3138—2003《球型儲罐整體補(bǔ)強(qiáng)凸緣》時，采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法對球罐凸緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了大量的工作，并按照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［3］采用應(yīng)力分析法對部分凸緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性驗證。隨著石油化工技術(shù)的發(fā)展，新的、更低的安全系數(shù)被采用［4－5］，通常的按照 SH/T 3138—2003 進(jìn)行直接選取的方法已經(jīng)變得越來越不適應(yīng)。文中采用應(yīng)力分析法，對球罐凸緣的受力和應(yīng)力分布進(jìn)行了詳細(xì)地分析，經(jīng)過多方案的大量計算比較，提出了一種新型的球罐人孔翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

1 球罐開孔及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 球罐開孔

為了滿足各種工藝和結(jié)構(gòu)的需要，球罐上不可避免要開孔并安裝接管或凸緣。開孔除了削弱罐體本身強(qiáng)度外，在殼體與開孔處，因結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力。開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計是影響球罐安全操作的重要因素之一，對于尺寸較小的接管開孔，通常的做法是采用厚壁管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計;對于尺寸較大的開孔結(jié)構(gòu)，一般采用整體鍛件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。人孔作為工作人員進(jìn)出罐體檢驗和維修之用的重要元件，其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常采用凸緣結(jié)構(gòu)。圖1示出目前各工程中較常用的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 人孔常用凸緣結(jié)構(gòu)

1.2 球罐人孔凸緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

球罐人孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計通常的做法為:(1)對于采用常規(guī)設(shè)計的球罐，人孔凸緣結(jié)構(gòu)直接按照SH/T 3138—2003《球型儲罐整體補(bǔ)強(qiáng)凸緣》進(jìn)行選取;(2)對于采用分析設(shè)計的球罐，其人孔凸緣結(jié)構(gòu)直接采用或類比上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用應(yīng)力分析對其進(jìn)行安全性驗證。隨著新的、更低的安全系數(shù)被采用，采用第一種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)存在安全隱患［6－7］，同時也不經(jīng)濟(jì);第二種采用應(yīng)力分析對人孔凸緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動校核的做法具有一定的局限性。

人孔規(guī)格相對固定，球罐上人孔采用的尺寸多為DN500和DN600兩種。人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)所具有的較規(guī)則的形狀和尺寸，以及裝備制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，給設(shè)計出更加合理、更加經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式提供了可能。按照等安全裕度的設(shè)計原則以及圖2所示的設(shè)計流程圖，經(jīng)多方案的大量比選和優(yōu)化設(shè)計，最終設(shè)計出了一種滿足補(bǔ)強(qiáng)要求、應(yīng)力分布均勻、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省材料的新型人孔翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖2 人孔凸緣結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

2 算例

以某工程中4000 m3碳四球罐為例，球罐工藝介質(zhì)為碳四，不需要考慮疲勞失效，設(shè)計參數(shù)和材料如表1所示。

表1 碳四球罐設(shè)計參數(shù)和材料

圖3示出DN600的人孔凸緣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為類比SH/T 3138—2003《球型儲罐整體補(bǔ)強(qiáng)凸緣》中的“凸緣B724系列尺寸”，質(zhì)量為223 kg。圖4示出了一種采用板材制造的人孔翻邊結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為166 kg。

圖3 DN600人孔凸緣結(jié)構(gòu)

圖4 DN600人孔翻邊結(jié)構(gòu)

考慮液柱靜壓力的作用，對球罐下極板上的人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在操作狀態(tài)下，裝量系數(shù)為0.9時，可得操作時裝料高度為15.842 m，取重力加速度為9.81 m/s2，故球罐下極板的計算壓力為:

同理，在水壓試驗狀態(tài)下，球罐下極板的計算壓力為:

3 有限元分析

3.1 應(yīng)力分類法

球罐人孔補(bǔ)強(qiáng)屬于局部結(jié)構(gòu)，不考慮風(fēng)載荷和地震載荷作用，按照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))列出兩種計算工況:(1)操作工況(考慮液柱靜壓力);(2)水壓試驗工況(考慮液柱靜壓力)。球罐殼體及鍛件材料特性參數(shù)見表2，3。

表2 板材材料特性參數(shù)

表3 鍛件材料特性參數(shù)

對圖3，4所示的人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行應(yīng)力分析，采用ANSYS 10.0軟件提供的8節(jié)點(diǎn)等參軸對稱單元(Plane 82)，扣除腐蝕裕量和鋼板負(fù)偏差后建立軸對稱力學(xué)模型。位移邊界條件:將球殼右側(cè)邊緣線上的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到節(jié)點(diǎn)球坐標(biāo)系下，令邊緣線上所有節(jié)點(diǎn)Uθ=0。力邊界條件:在操作工況下，內(nèi)壁承受內(nèi)壓0.880 MPa，凸緣及翻邊結(jié)構(gòu)端部承受等效軸向載荷8.287 MPa;在水壓試驗工況下，內(nèi)壁承受內(nèi)壓1.183 MPa，凸緣及翻邊結(jié)構(gòu)端部承受等效軸向載荷11.141 MPa。圖5，6示出了在操作工況下兩種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的邊界條件。

圖5 操作工況下人孔凸緣結(jié)構(gòu)邊界條件

3.1.1 強(qiáng)度評定與分析

對操作工況和水壓試驗工況分別進(jìn)行計算后得到應(yīng)力云圖(見圖7～10)。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度線性化處理評定路徑選取的原則，在每種工況下均取兩條評定路徑，見圖7～10。應(yīng)力強(qiáng)度評定方法依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))，評定結(jié)果見表4，5，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的SⅠ和SⅢ評定由后文的極限分析所代替。

3.1.2 應(yīng)力云圖圖譜分析

以上兩種形式的人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)均能滿足補(bǔ)強(qiáng)要求。為了更加詳盡地了解這兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，選取具有代表性的10個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，節(jié)點(diǎn)選取位置見圖11，圖12示出了各點(diǎn)處應(yīng)力強(qiáng)度變化曲線。

圖6 操作工況下人孔翻邊結(jié)構(gòu)邊界條件

圖7 操作工況凸緣結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及評定路徑

圖8 操作工況翻邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及評定路徑

圖9 水壓試驗工況凸緣結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及評定路徑

圖10 水壓試驗工況翻邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及評定路徑

表4 人孔凸緣結(jié)構(gòu)(鍛件)應(yīng)力評定

表5 人孔翻邊結(jié)構(gòu)(板材)應(yīng)力評定

圖11 節(jié)點(diǎn)位置

圖12 應(yīng)力強(qiáng)度變化曲線

由應(yīng)力云圖(見圖7～10)及圖12分析可以得出:在兩種計算工況下，翻邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較凸緣結(jié)構(gòu)緩和;二者應(yīng)力強(qiáng)度最大值相差不大，最大應(yīng)力點(diǎn)位置均在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè);在結(jié)構(gòu)與球殼相焊接處，翻邊結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)范圍要明顯大于凸緣結(jié)構(gòu)。

3.2 極限載荷法

JB 4732—1995［3］中給出的各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制是基于彈性分析，對彈性名義應(yīng)力進(jìn)行分類并將各類應(yīng)力分別加以控制，這是一種工程近似方法。這些規(guī)定對于大多數(shù)情況是安全可靠的，但對于某些結(jié)構(gòu)可能存在安全裕量不足的情況(如球殼大開孔)［8］。同時，應(yīng)力分類需要特殊的知識和識別力，應(yīng)力分類法可能產(chǎn)生模棱兩可的結(jié)果［4］。為了確保人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全，文中對上述兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了極限載荷分析［9－12］。

圖13示出了凸緣結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。根據(jù)載荷—位移曲線(見圖13(b))可以確定結(jié)構(gòu)塑性極限載荷為1.488 MPa;同理，由圖14可以確定翻邊結(jié)構(gòu)的塑性極限載荷為1.392 MPa。

按照 JB 4732—1995(2005 年確認(rèn))中 5.4.2的規(guī)定［3，13］，評定結(jié)果見表 6。

為了更加方便快捷地進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，文中利用ANSYS軟件提供的APDL語言對所有參數(shù)作變量化處理，編寫了適用于任意球殼開孔的全自動化分析程序［14］。在采用應(yīng)力分類法進(jìn)行評定合格的基礎(chǔ)上，表7列出了2000 m3乙烯球罐和3000 m3丙烷球罐D(zhuǎn)N500人孔極限分析結(jié)果，并給出了不開孔時球殼的極限載荷，極限分析結(jié)果表明:兩種結(jié)構(gòu)均能滿足補(bǔ)強(qiáng)要求。

4 人孔翻邊結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計原則

不同于規(guī)則設(shè)計，翻邊結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計不必遵循等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則，其沿殼體和接管方向的補(bǔ)強(qiáng)范圍是依據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度衰減范圍來確定。對翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，目前還沒有可行的計算公式，其強(qiáng)度評定還只能依靠有限元應(yīng)力分析，具體設(shè)計細(xì)則可參考圖15所示結(jié)構(gòu)。

圖13 人孔凸緣結(jié)構(gòu)極限載荷分析

圖14 人孔翻邊結(jié)構(gòu)極限載荷分析

表6 極限分析評定結(jié)果

沿殼體方向補(bǔ)強(qiáng)范圍b值的計算式為:

式中 d——人孔內(nèi)直徑，mm

δn——球殼板壁厚，mm

沿接管方向補(bǔ)強(qiáng)范圍h值的計算式為:

式中 δnt——人孔接管壁厚，mm

表7 DN500人孔結(jié)構(gòu)極限分析

依據(jù)b和h的取值確定R的取值，再初步設(shè)定一個δt值，根據(jù)計算結(jié)果來調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，最終確定翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸。

圖15 人孔翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 人孔翻邊結(jié)構(gòu)的制造、檢驗和驗收

為了確保人孔翻邊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性，在制造過程中，選擇合適的制造工藝和檢驗方法顯得尤為重要。

該結(jié)構(gòu)為大弧度翻邊結(jié)構(gòu)，整體尺寸較大，若直接采用鍛件加工，其加工難度大且材料利用率低。經(jīng)過與設(shè)備制造廠多次交流，最終確定采用板材拼接卷壓成錐殼，并在模具上沖壓成環(huán)形外翻邊結(jié)構(gòu)，最后加工坡口的方法。為了保證翻邊結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對整個加工過程提出了如下技術(shù)要求:

(1)板材拼接前，對板材100%超聲檢測，質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅱ級;

(2)卷壓成錐殼后，將焊縫打磨齊平，并對其100%射線檢測，Ⅱ級合格;焊縫表面100%磁粉檢測，Ⅰ級合格;

(3)沖壓成型后，對整個翻邊結(jié)構(gòu)表面100%磁粉檢測，Ⅰ級合格;

(4)檢驗合格后，對結(jié)構(gòu)做恢復(fù)力學(xué)性能熱處理，然后加工坡口，加工要保證最終尺寸不小于給定尺寸。

6 結(jié)語

(1)球罐人孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用板材卷壓沖壓翻邊的制造工藝和設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的采用鍛件加工相比，提高了材料利用率且質(zhì)量輕，降低了成本。這種設(shè)計方法同時也可以推廣到球罐上其他大尺寸接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

(2)在同樣滿足補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的前提下，人孔凸緣補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的極限承載能力要優(yōu)于翻邊補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，為今后進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了經(jīng)驗。

(3)采用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))中的5.4.2條進(jìn)行了極限載荷評定，為該設(shè)備的安全運(yùn)行提供了科學(xué)的理論依據(jù)，同時也為極限分析方法的推廣起到了積極作用。

［1］于廣彥.凸緣的優(yōu)化設(shè)計與計算［J］.壓力容器，2002，19(11):26－28.

［2］SH/T 3138—2003，球型儲罐整體補(bǔ)強(qiáng)凸緣［S］.

［3］JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))［S］.

［4］2007 ASME Boiler ＆ Pressure Vessel Code，Ⅷ Division 2，Alternative Rules，Rules for Construction of Pressure Vessels［S］.

［5］EN 13445:2002(E)，Unfired Pressure Vessels，Part 3:Design［S］.

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［14］潘新偉，楊心理，閆思和.減壓塔大開孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.壓力容器，2013，30(8):64－68.