王東帥，李福寶

（沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，遼寧 遼陽 111003）

1 緒論

通過查閱文獻(xiàn)可知多層包扎式金屬壓力容器的筒體與單層式筒體相比制造過程簡(jiǎn)單，同時(shí)也不需要大型、復(fù)雜的加工設(shè)備，適應(yīng)于更多中小型企業(yè)發(fā)展；而且與單層式圓筒相比安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力，減少了脆性破壞的可能性[1]，同時(shí)包扎預(yù)應(yīng)力可有效改善圓筒的應(yīng)力分布；對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)介質(zhì)的特性選擇合適的筒體材料[2，3]。本文通過利用Ansys 軟件進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn)的方法來對(duì)金屬壓力容器部件進(jìn)行分析，得出壓力容器的校核計(jì)算，從而來獲取壓力容器多層包扎金屬筒體的最佳相鄰層板焊縫錯(cuò)位角。

2 三維實(shí)體的建模以及有限元分析

多層包扎式金屬壓力容器的筒體由內(nèi)層和層板構(gòu)成，層板與層板間由縱焊縫連接而成，通過焊縫的連接會(huì)產(chǎn)生額外的預(yù)緊力，使得各個(gè)層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，從而使得筒體的連接更牢固，在受相同壓力的情況下，產(chǎn)生的形變更小，相對(duì)于單層化工反應(yīng)容器更加安全可靠。

2.1 包扎式筒體的靜力學(xué)計(jì)算

本文的多層包扎式筒體外徑Ro=250mm，內(nèi)徑為Ri=200mm，內(nèi)層筒體的厚度Sn=15mm，層板的厚度為Sw=5mm，本論文壓力容器所選的材料為Q345R，這種材料的屈服點(diǎn)為340MPa，是中國壓力容器制造業(yè)使用最多金屬板，這種金屬板具有良好的力學(xué)性能和制造工藝性能。其中Q354R 的抗拉強(qiáng)度σb=490MPa，屈服強(qiáng)度σS=345MPa，E=2.05×105MPa，μ=0.3。

對(duì)于圓柱殼體，由筒體外徑和筒體內(nèi)徑之比，可以得出筒體是薄壁筒體還是厚壁筒體，根據(jù)筒體的厚薄來選定合適的計(jì)算公式，由公式：

可以得出K=1.25 ＞1.2，即本文的筒體為厚壁筒體。

對(duì)于本文的多層包扎金屬壓力容器筒體而言，由于K＞1.2，故為了得出仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，可采用厚壁筒體的Mises 屈服條件來進(jìn)行核算：

其中σθ—周向應(yīng)力。

σS—屈服輕度。

r—任意半徑。

Ro—外徑。

當(dāng)r=Ro時(shí)可計(jì)算最大屈服極限應(yīng)力σmaxθ=375.28MPa，可理解為此時(shí)的筒體處于塑性狀態(tài)，從而得出最大的塑性極限應(yīng)力，通過與仿真實(shí)驗(yàn)的最大集中應(yīng)力進(jìn)行比較，從而得出仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)于筒體多層包扎筒體最佳焊縫錯(cuò)位角的選擇做好理論基礎(chǔ)。

2.2 多層包扎金屬壓力容器筒體三維實(shí)體的建模

為了探究筒體每層層板間縱焊縫相差角度對(duì)筒體裂紋沿厚度方向擴(kuò)展程度的強(qiáng)弱，本文通過利用控制變量法，來研究一個(gè)數(shù)據(jù)的變化對(duì)結(jié)果所造成的影響，這樣的實(shí)驗(yàn)更利于結(jié)果的準(zhǔn)確性以及工程的可行性，通過利用CAXA 三維繪圖軟件制作出了壁厚相同的9 個(gè)筒體，以此來研究每層層板縱焊縫相差角度變量與筒體產(chǎn)生集中應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系。

通過對(duì)1 到9 層板縱焊縫角度差的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，每一層是由3 塊層板均勻布置的，即每個(gè)層板所占的角度為120°，當(dāng)兩個(gè)筒體各層間的焊縫差值和為時(shí)，即筒體布置層板焊縫時(shí)會(huì)出現(xiàn)相同的布置方式。

3 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元分析

3.1 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真模擬

本文通過對(duì)多層包扎金屬壓力容器的筒體進(jìn)行了有限元分析，通過控制變量法要求施加的載荷、約束、結(jié)構(gòu)和材料特性均保持一致，而只對(duì)相鄰?fù)搀w層板間的焊縫錯(cuò)位角度進(jìn)行了改變，這種分析的方法簡(jiǎn)單，同時(shí)也利于分析數(shù)據(jù)的后期處理。

3.2 多層包扎金屬壓力容器筒體的有限元仿真分析及結(jié)果后處理

本文是整體壓力容器的一部分，因此對(duì)筒體兩端采取了約束。由于筒體兩端承受約束，在受內(nèi)壓時(shí)，筒體端口出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但是由于端口應(yīng)力集中的情況，使得周圍的應(yīng)力出現(xiàn)了局部減小的狀況，又由于所選的材料具有一定的彈性，中間位置出現(xiàn)了彈性變形，故在加壓時(shí)整個(gè)筒體在放大的情況下，外形呈現(xiàn)出端口小，中間大的特性，對(duì)比幾個(gè)圖可以清楚的看到筒體相鄰層板焊縫錯(cuò)位15°和105°時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況較為嚴(yán)重，由材料力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)在失效時(shí)，首先失效的是應(yīng)力集中區(qū)，故本實(shí)驗(yàn)只考慮最大應(yīng)力與相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度的關(guān)系。為了得出最優(yōu)的相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度，通過對(duì)這9 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析得出了相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度與應(yīng)力關(guān)系圖，見圖1、圖2。

圖1 相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度與最大應(yīng)力關(guān)系圖

從圖1 可以看出，該圖形關(guān)于60°對(duì)稱，在相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度為0°、30°、60°、90°、120°處最大應(yīng)力取得最小值，最小值的范圍在308MPa 左右小于最大塑性極限應(yīng)力，而取得最大值在15°和105°處，此處取值為336MPa 小于最大塑性極限應(yīng)力，說明多層包扎筒體在受內(nèi)壓的情況下，滿足筒體的應(yīng)力要求，同時(shí)也優(yōu)于單層筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)從圖1 中可以清楚的看出，圖形有五個(gè)最低點(diǎn)處，即在控制變量法的條件下，多層包扎筒體相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度在這五個(gè)值附近所產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小，從對(duì)稱的角度來分析，0°和120°、30°和90°這兩組的結(jié)構(gòu)是一致的，因此在0°—90°滿足最優(yōu)解的有三個(gè)：0°、30°、60°。這一點(diǎn)對(duì)于加工一層由三塊層板組成的多層包扎筒體而言具有重要的參考價(jià)值，即在加工制造的過程，應(yīng)該注意相鄰層板焊縫的錯(cuò)位角度，利用同樣的條件，產(chǎn)生最大的使用效率。

上述的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)果后處理得到了相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度與位移關(guān)系圖，見圖2。

圖2 相鄰層板焊縫錯(cuò)位角度與最大位移關(guān)系圖

圖2 中圖形成一個(gè)“W”型，關(guān)于60°對(duì)稱，在0°、60°和120°位移取得最大值，即在受相同內(nèi)壓的情況下結(jié)構(gòu)變形最為嚴(yán)重，而在相鄰層板焊縫錯(cuò)位15°、30°、45°、70°、90°、105°處，位移變形大約在0.1983mm處，相對(duì)筒體直徑而言，筒體的整體位移變形屬于微變形，如果以筒體的最大位移來衡量相鄰層板焊縫錯(cuò)位角，這種措施相對(duì)于用集中應(yīng)力來衡量筒體相鄰層板焊縫錯(cuò)位角較為不足。

4 結(jié)論

本文通過利用三維畫圖軟件繪制出了相鄰層板焊縫錯(cuò)位角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°九組多層包扎金屬壓力容器筒體，其中每層筒體由3 塊層板焊接而成（最內(nèi)層除外），利用控制變量法將約束、載荷、結(jié)構(gòu)和材料特性保持一致，從而在ANSYS有限元仿真分析中得出了只有自變量相鄰層板焊縫錯(cuò)位角對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的影響。如果只考慮載荷作用下應(yīng)力集中的問題，通過有限元仿真計(jì)算所選的相鄰層板焊縫錯(cuò)位角應(yīng)該在0°、30°、60°附近較為合適；如果將筒體應(yīng)力集中問題和位移變化問題結(jié)合到一塊篩選的話，那么相鄰層板焊縫錯(cuò)位角在30°附近對(duì)于多層包扎筒體加工而言將會(huì)是最優(yōu)角度。