何 斌 任建民 陳思瑤

(1. 遼寧石油化工大學機械工程學院；2. 內蒙古科技大學)

基于電測法與ANSYS評定壓力容器錯邊結構

何 斌*1任建民1陳思瑤2

(1. 遼寧石油化工大學機械工程學院；2. 內蒙古科技大學)

利用電測法和有限元分析法對筒體和封頭的錯邊結構進行應力分析和強度評定，兩種方法的計算結果趨于一致，證明了兩種方法的可靠性，為壓力容器的安全運行提供參考依據(jù)。

壓力容器 錯邊結構 電測法 有限元分析法 應力分析

在壓力容器制造過程中，錯邊量是檢驗其質量的重要技術指標，特別是筒體與封頭的連接環(huán)縫(錯邊結構)常出現(xiàn)錯邊量超標現(xiàn)象，使應力集中更加突出，導致產品合格率下降。而電測法作為實驗測定應力應變的常用方法，用于測定壓力容器各點處的應力應變更加普遍。某廠制造的壓力容器因加工制造誤差和筒體與封頭不等厚導致筒體與底封頭連接部位的錯變量超過GB 150-1998所允許的 B 類接頭的最大錯邊量。針對這一現(xiàn)象，筆者采用電測法和有限元分析法相結合的方法對錯邊結構進行檢測，然后根據(jù)JB 4732-1995對其進行強度校核[1]。

1 電測法

電測法的實驗原理是：將電阻應變片(又稱電阻片或應變片)牢固地貼在構件表面，當構件發(fā)生變形時，應變片隨著一起變形，利用電阻片的應變效應使應變變化轉化為電阻變化；然后利用電阻應變儀把應變片的電阻變化率轉換成電壓變化，并通過儀器內的放大器加以放大；放大后的電壓信號通過應變儀再轉換成實際應變量并顯示出來。測得電阻應變儀的應變值后對其進行修正：

ε片=(K儀/K片)·ε儀

(1)

式中K儀/K片——修正系數(shù)；

ε片——所測電阻片的真實應變；

ε儀——電阻應變儀的讀數(shù)。

根據(jù)廣義胡克定律計算測量點的實際應力值，從而求得主應力值，因此電測法是通過測定應變來測試應力的[2]。測點主應力方向已知，在測點沿主應力方向貼兩個工作片R1、R2，測定對應的環(huán)向應變ε′和經向應變ε″。由于測點較小，若干工作片共用一個補償片，這時工作片輪流接入橋路，而公用補償片卻長期通電，可能會因升溫使溫度補償效果變差而造成讀數(shù)漂移，因此將另兩個應變片當做溫度補償片[3]。貼片方案如圖1所示，采用1/4接法，占用兩個預調平衡通道。

圖1 壓力容器電測法實驗裝置貼片方案

根據(jù)廣義胡克定律，外壁膜應力σ′和內壁膜應力σ″的計算式為：

(2)

(3)

其中，彈性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。錯邊結構的壓力p=1.36MPa。

根據(jù)實驗測定與計算結果，得到的測定結果數(shù)據(jù)見表1。

表1 電測法應力測定結果 MPa

2 有限元分析法

由于該壓力容器的錯邊結構為軸對稱結構，因此取結構的二分之一進行分析計算。設計溫度195℃，設計壓力1.36MPa，筒體與封頭的材料均為AISI 304(0Cr18Ni9)，常溫(20℃)彈性模量E=204GPa，泊松比ν=0.3，下屈服強度ReL=368MPa。由于0Cr18Ni8化學成分(表2)與0Cr18Ni9的相似，因此0Cr18Ni8在不同溫度下的許用應力Sm可以參考0Cr18Ni9 的許用應力。由文獻[1]可知，當線性插值為195℃時，0Cr18Ni8的許用應力為 100.9MPa，屈服極限180MPa。在計算過程中，取材料的許用應力為100.9MPa。

表2 0Cr18Ni8的化學成分和含量 %

有限元的計算結果是總應力，按照分析設計要求，應根據(jù)結構的幾何形狀將有限元計算應力分為薄膜應力、彎曲應力和峰值應力，然后根據(jù)各類應力的產生原因和對結構失效的不同作用，采用不同的強度極限加以限制。筆者采用工程通用的應力分類方法——線處理法對有限元計算應力進行分類[4]。

利用ANSYS軟件建立錯邊結構的有限元模型，并對其進行網(wǎng)格劃分(圖2)。筒體側長度為300mm，單元為8節(jié)點等參元，單元沿厚度共3層，并在錯邊區(qū)域采用多點、密集的網(wǎng)格結構，結構最終共劃分了129個單元，480個節(jié)點。對錯邊結構的兩端面施加軸向位移約束，并對其中一個端面施加周向位移約束(圖3)。

圖2 錯邊結構的有限元模型網(wǎng)格劃分

線處理錯邊區(qū)域得到的環(huán)向應力與周向應力如圖4所示，從圖4可以看出：錯邊處外表面沿著經向發(fā)生了局部塑性變形；遠離錯邊區(qū)域，應力迅速衰減，邊緣應力分布與理論分析基本趨于吻合。

圖3 錯邊結構有限元模型的約束施加

圖4 有限元模型錯邊區(qū)域環(huán)向、周向應力分布

3 電測法與有限元分析結果比較

經過實驗計算，錯邊結構外壁膜應力σ′=140MPa，內壁膜應力σ″= 139MPa，將最大主應力與材料屈服極限ReL相比較，σ′+α=139+189=328MPa<368MPa，符合強度要求，不需要進一步評定[5]。

由圖 4可知，在封頭轉角處有較大的壓縮應力(最大98MPa)。220°C下材料的許用壓縮應力為99MPa，常溫下的許用壓縮應力為114MPa，最大周向應力小于常溫許用壓縮應力，因此該應力為峰值應力，對容器整體影響不大。

筆者利用電測法和有限元分析法對筒體和封頭的錯邊結構進行了應力分析和強度評定，對比兩種方法的計算結果發(fā)現(xiàn)，有限元分析計算值與電測法的計算值相近，其相對誤差的計算式為：

(4)

由式(4)可以估算出相對誤差不大于5%。

4 結束語

比較電測法計算值和有限元分析法計算值，結果顯示二者基本趨于一致。通過軸對稱有限元在壓力容器設計中的應用和與電測法計算結果的比較，說明如果建立合理的力學模型并實現(xiàn)結構關鍵點的離散化(即在關鍵點部位網(wǎng)格劃分得小、多、密)，則有限單元法獲得的近似解比較精確。在結構、載荷較復雜的情況下，彈性體應力和應變分布的連續(xù)函數(shù)難以通過經典的彈性力學求得，但有限單元法可準確地獲得彈性體的應力分布情況，可靠性高。

[1] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].北京：中國機械工業(yè)出版社，2005.

[2 ] 蔣玉川，江國賓. 廣義主偏應力強度理論[J]. 工程力學，1998，15(2)：117～122.

[3] 黎冬翠. 壓力容器電測法應力測量實驗探討[J].實驗技術與管理，2007，24(3)：43～45，48.

[4] Narasaiah G L, Subhash G. A Computational Approach for the Classification of FEM Axisymmetric Stress as per ASME Code[J].Pressure Vessel and Piping Technology, 1986, 109: 168～174.

[5] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．過程設備設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2010.

StaggeredJointAssessmentforPressureVesselsBasedonElectrometricMethodandAnsys

HE Bin1, REN Jian-min1,CHEN Si-yao2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China; 2.InnerMongolianUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Both electrometric method and finite element analysis were adopted to analyze the stress and to assess the strength of the staggered joint of both cylinder barrel and head. The results show that this two method’s calculation results tend to consistency to provide the reference for safety run of vessels.

pressure vessel, staggered joint, electrometric method, finite element method,stress analysis

*何 斌，男，1988年8月生，碩士研究生。遼寧省撫順市，113001。

TQ053.2

A

0254-6094(2015)02-0266-03

2014-07-07，

2015-03-18)