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        承壓設(shè)備中厚壁彎頭的強(qiáng)度分析

        2018-04-25 06:13:14陳敏
        科學(xué)與技術(shù) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:強(qiáng)度設(shè)備分析

        陳敏

        摘要:本文對石油化工、環(huán)保等行業(yè)壓力設(shè)備中廣泛使用的厚壁彎頭進(jìn)行了強(qiáng)度分析,導(dǎo)出了彎頭內(nèi)側(cè)最大環(huán)向應(yīng)力的近似計(jì)算公式。同時,環(huán)保行業(yè)使用的壓力容器中往往存在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。這些腐蝕孔會縮短彎頭的使用壽命。因此,本文分析了腐蝕引起的孔洞對彎頭強(qiáng)度的影響。

        關(guān)鍵詞:設(shè)備;強(qiáng)度;分析

        前言

        隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的需要和歐盟統(tǒng)一市場的建立,承壓設(shè)備行業(yè)已經(jīng)形成了以ENI3445標(biāo)準(zhǔn)為代表的北美和亞太市場。相比之下,經(jīng)過幾十年的不懈努力,我國頒布了一系列核心壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、基本標(biāo)準(zhǔn)和零部件標(biāo)準(zhǔn)。面對國際競爭,我國壓力容器的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)正在努力與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

        1高壓厚壁彎頭應(yīng)力分析解析計(jì)算

        其設(shè)計(jì)思想是基于彈性失效準(zhǔn)則,認(rèn)為當(dāng)容器內(nèi)某點(diǎn)的最大應(yīng)力進(jìn)入塑性時喪失純彈性狀態(tài)即為失效,不考慮容器及部件某些局部區(qū)域允許進(jìn)入塑性,僅限于因強(qiáng)度或剛度不足而引起的過量彈J陛變形或彈性不穩(wěn)定性,忽略其他可能的失效模式。設(shè)計(jì)公式以材料力學(xué)及板殼薄膜理論簡化公式為基礎(chǔ),再加經(jīng)驗(yàn)系數(shù),依據(jù)最大主應(yīng)力理論進(jìn)行評定和計(jì)算。常規(guī)設(shè)計(jì)在ENI3445歐盟設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中稱作“按規(guī)則設(shè)計(jì)”,其基本思路是:在設(shè)計(jì)壓力下,使用相對簡單的公式來確定壓力容器各個零部件的厚度。規(guī)則中包含了各種專門的要求和限制,這些規(guī)則通常是以試驗(yàn)和已有經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)其設(shè)計(jì)公式亦基于薄殼理論。

        常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算包含設(shè)計(jì)3要素:設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力,依據(jù)3方面要求首先確定靜強(qiáng)度計(jì)算條件。靜強(qiáng)度計(jì)算條件應(yīng)力分析及計(jì)算均選用設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行,分析結(jié)果偏于安全。為方便比較,假設(shè)各標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)相同材料標(biāo)準(zhǔn).

        1.1計(jì)算模型

        石油化工行業(yè)中使用的彎頭常用的角度為450,90。和1800,管徑為2寸一10寸,彎頭的曲率半徑R通常采用其孔徑d的2倍一5倍。由于所用彎頭的拐角都比較大,兩端相連接的直管段對彎頭中部力學(xué)性能的影響較小,因此可以將彎管的幾何模型簡化成為一個與彎管截面相同,曲率半徑一樣的環(huán)管來處理。這樣,研究彎頭受內(nèi)壓問題就變成研究厚壁雙曲圓環(huán)殼受內(nèi)壓問題,這是一個軸對稱問題。

        1.2環(huán)管受內(nèi)壓時的應(yīng)力狀態(tài)及危險(xiǎn)點(diǎn)分析

        取一個受內(nèi)壓I作用的圓環(huán)管,總體坐標(biāo)采用柱坐標(biāo),Z為對稱軸,環(huán)管上任一點(diǎn)E的位置可表示為,R為圓環(huán)管中面最大的曲率半徑,簡稱環(huán)管的曲率半徑。

        由于圓環(huán)管受內(nèi)壓作用時,為一軸對稱問題為對稱軸。因此環(huán)管橫截面上每點(diǎn)的應(yīng)力分量也與z軸對稱,不隨中而變化。這樣,我們只需討論環(huán)管的某一個橫截面的應(yīng)力分布,從而得到整個環(huán)管應(yīng)力分布情況。為此,我們?nèi)…h(huán)管任一橫截面平面,它是一個外徑為b,內(nèi)徑為a的圓環(huán)面。

        此圓環(huán)面相對z軸旋轉(zhuǎn)一周形成我們所討論的環(huán)管。截面圓心O1的旋轉(zhuǎn)半徑就是環(huán)管中面的最大曲率半徑R。在討論圓環(huán)面的應(yīng)力分布時,為描述方便起見,采用極坐標(biāo)為局部坐標(biāo),局部坐標(biāo)原點(diǎn)取在圓環(huán)截面的圓心O1上.

        在環(huán)管橫截面平面內(nèi)(即平面內(nèi))存在有環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。f及剪應(yīng)力:.e=Te}-。除此以外,在E處垂直環(huán)管橫截面上,還存在著正應(yīng)力垂直橫截面的應(yīng)力6為拉應(yīng)力,在橫截面上基本呈均勻分布

        1.3厚壁彎頭的最大環(huán)向應(yīng)力計(jì)算式推導(dǎo)

        考慮到薄壁直管受內(nèi)壓P作用時,如兩端封堵,則任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)一定存在沿管子軸向的應(yīng)力嘰和沿管子環(huán)向的應(yīng)力另外,沿半徑方向還有徑向應(yīng)力。薄壁時比較小,一般略去若直管的壁厚平均半徑為,壁厚為t小分別為:由于薄壁直管的壁很薄和在截面上的分布認(rèn)為是均勻的而我們所研究的高壓注水彎頭,相對于上述直管的幾何特性發(fā)生了兩個重大變化)第一,直管變成了彎管(我們處理成環(huán)管,管的曲率半徑1l由直管的1l為無窮大,變成為彎管的,為管子的平均孔徑,第二管子壁厚由薄壁命,增大到為中厚壁命,此時截面上的應(yīng)力分布將不能認(rèn)為是均勻分布)依據(jù)上述分析,危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)在彎管內(nèi)側(cè)A點(diǎn)處,為了工程設(shè)計(jì)方便和統(tǒng)一起見,我們?nèi)员3稚鲜霰”诃h(huán)向應(yīng)力公式的計(jì)算形式,只是考慮厚壁彎管相對于薄壁直管曲率變化和壁厚變化的影響,分別引進(jìn)壁厚變化修正系數(shù)C,和曲率變化修正系數(shù)CH。將彎管A點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力。

        2腐蝕形成的孔洞對彎頭強(qiáng)度的影響

        彈性力學(xué)中對于在一般情況下無限大板圓形孔邊應(yīng)力集中的計(jì)算已經(jīng)有了比較精確的解答,在無限大薄板上,設(shè)在距離板邊較遠(yuǎn)處有半徑為a的小圓孔,該小圓孔兩邊受均布拉力作用,拉力集度為,將坐標(biāo)原點(diǎn)取在孔的中心處,坐標(biāo)平行于板的兩邊界。對于類圓形形狀的腐蝕孔洞,一般可將其按孔的深度分為三類:淺半圓形孔、深半圓形孔和半圓形孔,下文中將分別針對不同的腐蝕孔形狀情況進(jìn)行討論。

        2.1淺半圓形腐蝕孔的應(yīng)力集中

        淺半圓形腐蝕孔可以定義為孔開口直徑d的一半大于該腐蝕孔的深度h,即h<普,假設(shè)s表示彎頭的壁厚。

        深度h<李的淺半圓形孔情形,由物體所受的力平衡關(guān)系可知,在孔的兩側(cè)沿y軸方向所分布的應(yīng)力。沿y向的合力值與遠(yuǎn)場拉伸應(yīng)力。在陰影部分所產(chǎn)生的合力是相等的。

        設(shè)當(dāng)方程乘以一個表示應(yīng)力集中的因子C后,就可將無限大板孔洞問題轉(zhuǎn)化為有限板孔洞問題,根據(jù)力平衡關(guān)系列方程有:

        2.2半圓形腐蝕孔孔邊應(yīng)力分布情況

        當(dāng)腐蝕孔孔深為h=李時,Z稱之為半圓形腐蝕孔,孔的形狀尺寸a=h=d/2,h=8,與2.1中的討論相類似,列出力的平衡方程如下:

        2.3腐蝕孔的應(yīng)力集中對彎頭抗內(nèi)壓強(qiáng)度的影響

        由于腐蝕形成的孔洞所造成的應(yīng)力集中改變了彎頭在腐蝕孔洞處的應(yīng)力分布,應(yīng)力分布的改變對此處彎頭的強(qiáng)度具有影響作用,因此可以將應(yīng)力集中系數(shù)作為彎頭評估的一個參數(shù)用于對彎頭壽命和安全性的評估之中。下面將針對應(yīng)力集中對彎頭抗內(nèi)壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上提出對抗內(nèi)壓強(qiáng)度影響的修正公式??梢詫⒏g孔造成的應(yīng)力集中因子應(yīng)用于彎頭抗內(nèi)壓強(qiáng)度降低程度的估計(jì)。

        給出分別按上述2種方法獲得的不同位置處的塑性極限載荷值和許用載荷值。通過比較看出,按雙切線相交法獲得的極限載荷值比按兩倍彈斜率法獲得的值稍大;2種方法計(jì)算得到的最小極限載荷均在筒體與接管連接內(nèi)表面處。取許用載荷的最小值23.6MP行強(qiáng)度評定,設(shè)計(jì)壓力18MP23.6MPa因此有限元極限分析結(jié)果表明,本結(jié)構(gòu)壁厚滿足計(jì)算條件規(guī)定下強(qiáng)度要求。

        3結(jié)束語

        采用上文,可以對由腐蝕造成的類圓形腐蝕孔所造成的應(yīng)力集中對彎頭抗擠強(qiáng)度的降低程度做出預(yù)測,并對在該條件下服役的彎頭的安全性進(jìn)行評估。通過對比常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,分別依據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)“X150和卿732設(shè)計(jì)容器的結(jié)構(gòu)壁厚,符合ENI3445要求,甚至較保守,主要原因是安全系數(shù)的選擇偏保守,有一定降低的裕度,但其前提是必須保證材料、焊接技術(shù)和檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)外一致性;

        用上述方法,可以預(yù)測由腐蝕引起的圓形腐蝕孔引起的應(yīng)力集中對彎頭抗壓強(qiáng)度的降低程度,并評價(jià)在此條件下彎頭使用的安全性。通過比較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果,根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)”732 X150、清設(shè)計(jì)容器壁厚結(jié)構(gòu),符合ENI3445需求,更加保守,主要原因是安全系數(shù)的選擇是保守的,有一定的降低,但其前提是必須要保證材料、焊接技術(shù)和檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)外一致性;

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉帥,郭亮.承壓設(shè)備中厚壁彎頭的強(qiáng)度分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2018(06):89-92.

        [2]裴文嬌.核級厚壁管熱推彎成形有限元模擬及試驗(yàn)研究[D].南京航空航天大學(xué),2015.

        [3]侯志勇.短半徑厚壁彎頭成型工藝研究[J].中國化工裝備,2014,16(03):32-34.

        [4]肖同妹.大口徑等壁厚彎頭非穩(wěn)態(tài)彎曲成形數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化[D].天津理工大學(xué),2011.

        (作者單位:河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院)

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