韋權(quán)權(quán)，鄧 超，陳 松，王政威

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高壓反向人孔法蘭結(jié)構(gòu)的分析

韋權(quán)權(quán)，鄧 超，陳 松，王政威

（中國石油集團東北煉化工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110167）

參數(shù)化分析能準確地反映設計條件中各個參數(shù)變量對應力集中區(qū)域可靠性的影響，運用ANSYS分析軟件對高壓反向人孔法蘭結(jié)構(gòu)進行疲勞強度校核，再通過輸入變量參數(shù)運用Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）進行變量的可靠性分析，在找到最主要的影響因素時將結(jié)構(gòu)的失效概率控制在預定水平內(nèi)，從而規(guī)避了常規(guī)設計無法控制的設計風險，在保證設計安全的條件下達到更加經(jīng)濟的效果。

高壓；結(jié)構(gòu)；參數(shù)化；分析

根據(jù)法蘭環(huán)與筒體的相對位置，反向法蘭是指法蘭環(huán)位于筒體內(nèi)側(cè)的法蘭，此類法蘭通常是在平封頭開大孔且直接采用螺栓墊片連接的一種特殊結(jié)構(gòu)。由于一些高壓容器需要對內(nèi)件進行維修，拆卸，采用此種結(jié)構(gòu)可以增大開孔面積，方便操作工人的操作維修以及對設備內(nèi)部的無損檢測，降低操作工人的勞動強度。高壓容器的反向法蘭結(jié)構(gòu)具有螺栓中心圓直徑小，法蘭外徑相對較小，螺栓力小等優(yōu)點，因此該結(jié)構(gòu)在煉油、化工、核能工業(yè)的高壓容器上得到了廣泛的應用。

高壓容器在循環(huán)的超高的操作壓力以及人孔反向法蘭的特殊結(jié)構(gòu)都要求容器在疲勞強度分析的基礎上進一步進行可靠性分析。本文主要采用ANSYS 結(jié)合Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）對某疲勞高壓容器的反向人孔法蘭結(jié)構(gòu)進行疲勞強度校核、可靠性及相關參數(shù)的敏感性的分析和評價。

1 理論基礎

Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）又稱統(tǒng)計試驗法，是對隨機變量的數(shù)值模擬[1]。在ANSYS中采用蒙特·卡羅方法中效率更高的拉丁超立方法，通過輸入與結(jié)構(gòu)應力強度相關的變量進行更多次數(shù)的數(shù)值模擬。

由壓力容器的疲勞失效準則可知[2]，結(jié)構(gòu)的峰值應力強度v不允許超過a，如果結(jié)構(gòu)的峰值應力強度v超過a則被認為失效，失效準則為：

a≥v（1）

式中：a—在相應的設計疲勞曲線中與規(guī)定的顯著載荷波動總次數(shù)相對應的幅值；

v—結(jié)構(gòu)在操作條件下的最大峰值應力強度。

那么結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)函數(shù)表示為：

(=a―v（2）

()≤0為失效狀態(tài)[3]。其中為上式中所有不確定量（如結(jié)構(gòu)幾何尺寸、操作壓力、設計溫度等）組成的向量[4]。在本文中反向人孔法蘭結(jié)構(gòu)的可靠性就是指()> 0的概率。

2 實例分析

2.1 工況與結(jié)構(gòu)簡述

某高壓容器，最高最低設計溫度分別為50 ℃、-29 ℃，環(huán)境溫度按照20 ℃進行分析，兩個設計溫度與環(huán)境溫度所形成的溫度場均不具有產(chǎn)生顯著溫差應力的能力，因此本人孔反向法蘭結(jié)構(gòu)的分析完全基于機械載荷的影響。結(jié)構(gòu)所用材料為07MnMoVR鋼板，使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，其彈性模量為2.02×105MPa[5]，泊松比為0.3[6]。容器操作壓力P為0～23 MPa，結(jié)構(gòu)其它設計參量見表1。

表1 設計參量

2.2 模型建立與載荷施加

本容器并非在環(huán)境溫度下工作，理論上應考慮溫差應力的影響，但作為儲存容器，內(nèi)部介質(zhì)的流動幾乎可以忽略不計，因此介質(zhì)與容器內(nèi)壁的對流傳熱微乎其微。沿等溫面不會有熱量傳遞，通過耦合計算，本容器低于30 ℃的溫度梯度對最大應力強度的影響要低于3%，故忽略了溫度場對結(jié)構(gòu)的作用[7]。

模型選取PLANE183單元進行網(wǎng)格劃分，由于二維PLANE單元具備對稱性，本模型建立二分之一即可。罐體端面限制模型的軸向位移，罐體及法蘭內(nèi)壁均布有內(nèi)壓，同時在內(nèi)壓作用下，反向人孔法蘭受到軸向拉力，于是需要在法蘭端面施加一個等效拉力載荷，可由下式計算求得：

=×22/ (32－22) （3）

求得=10.16 MPa，有限元模型與載荷施加情況如圖1、圖2所示。

2.3 疲勞強度分析

根據(jù)2.2所述條件對結(jié)構(gòu)進行求解，所得的結(jié)構(gòu)第三應力強度分布如圖。

由圖3可見，應力強度最大點出現(xiàn)在球形封頭內(nèi)壁與過渡段相焊接處。最大峰值應力強度值為v=381.5 MPa。而通過設計疲勞曲線可求得18 000次循環(huán)下的a值約為220 MPa，本結(jié)構(gòu)應力循環(huán)屬于全幅度的脈動循環(huán)，因此允許的峰值應力強度值應為=2a=440 MPa。顯然，結(jié)構(gòu)的峰值應力強度值小于。

圖1 有限元模型

圖2 載荷分布

圖3 第三強度理論應力強度值

3 可靠性分析

隨機變量的參數(shù)及分布見表2：

表2 參數(shù)及分布

使用表2的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)的可靠性分析，此時極限狀態(tài)函數(shù)可表示為：

()=－v（4）

為保證抽樣數(shù)目符合要求，抽樣數(shù)量不宜過小，暫定為3 000次進行計算。計算所用置信度為95%。計算后首先查看抽樣過程，見圖4。由圖可見輸出變量的平均值與標準差均收斂，表明抽樣次數(shù)已滿足要求，同時可以看出，進行2 000次抽樣即可滿足收斂要求。

圖4 抽樣過程示意圖

調(diào)取上述計算條件下極限狀態(tài)函數(shù)()小于0的概率，見圖5。()小于0的概率約為4.78%，亦即結(jié)構(gòu)失效的概率；說明在95%置信度水平下結(jié)構(gòu)的可靠度為95.22%。

圖5 概率分析結(jié)果

Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）的特點是其所需的抽樣次數(shù)不受變量個數(shù)的影響，求解時可以將所有不確定因素作為隨機變量全部輸入進行計算，再根據(jù)計算結(jié)果判斷出相對重要的影響因素，從而了解到影響結(jié)構(gòu)失效的關鍵因素，便于同時確保結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性。人孔反向法蘭結(jié)構(gòu)的靈敏度分析結(jié)果見圖6。分析圖6可知，影響分析結(jié)果的關鍵因素有、1、2、1以及2，而、2與1則可視為常量。同時，、2、1的靈敏度為負值，這說明結(jié)構(gòu)的可靠度會隨著這三者標準差的增大而下降；1、2的靈敏度為正值，這說明結(jié)構(gòu)的可靠度會隨著這兩者標準差的增大而上升。

圖6 靈敏度分析結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)JB/T4732—1995《鋼制壓力容器—分析設計標準(2005年確認)》中相關規(guī)定，人孔反向法蘭結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)在180 00次循環(huán)條件下的疲勞強度要求；并通過Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）對結(jié)構(gòu)的可靠性分析，確認出操作壓力、罐體內(nèi)半徑1、球形封頭內(nèi)徑2、筒體厚度1為影響結(jié)構(gòu)可靠性的關鍵因素。

通過運用Monte Carlo method（蒙特·卡羅方法）和ANSYS相結(jié)合的變量分析方法，能更直接的判斷影響結(jié)構(gòu)應力集中的主要因素，以便更加高效、準確的對復雜結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的條件下達到節(jié)約制造成本的目的。

［1］ 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007:52-60．

［2］JB4732-1995(2005年確認),鋼制壓力容器-分析設計標準[S]．

［3］ 王金龍.基于蒙特卡羅法的壓力容器結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].濰坊學院報，2008,8（4）：5-8．

［4］ 吳世偉.結(jié)構(gòu)可靠性分析[M].北京：交通出版社，1998:59-73．

［5］GB/T150.1～150.4-2011，壓力容器[S]．

［6］ 李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004．

［7］ 章熙民.傳熱學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001:10-11．

Analysis on High Pressure Reverse Manhole Flange Structure

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（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co., Ltd. Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110167, China）

Parametric analysis can accurately reflect the influence of various parameters in design conditions to the reliability of stress concentration area. In this paper, the ANSYS was used to check the fatigue strength of high pressure reverse manhole flange structure, and then Monte Carlo method was used to analyze the reliability of various parameters by inputting the variable parameters, the main influence factors were found out to control the structure failure probability in the alternative level, in order to avoid the design risk and achieve the more economical effect under the condition of design safety.

High pressure;Structure;Parametric;Analysis

TQ 052

A

1671-0460（2017）10-2094-03

2017-07-30

韋權(quán)權(quán)（1986-），男，遼寧省錦州市人，工程師，2010年畢業(yè)于遼寧石油化工大學過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：從事壓力容器技術工作。E-mail：weiquanquan@hqcec.com。