（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192）

夾套容器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、筒體受力性能優(yōu)良、節(jié)約材料等特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)被廣泛地應(yīng)用在化工、食品、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域[1，2]。 夾套式容器是指在容器殼體外包有完整的封閉腔體用來加熱或冷卻容器內(nèi)物料的一種容器[3]，利用有限元模擬法對(duì)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析是廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中的一種可靠的方法。本文即是利用有限元模擬法對(duì)夾套容器進(jìn)行應(yīng)力分析研究。

陳多將具有損傷參數(shù)的本構(gòu)模型引入到有限元軟件程序中，通過基于里茨法的梁與矩形板彎曲問題解的比較，驗(yàn)證了該方法的正確性[4]。瞿希梅采用有限元分析軟件建立了儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型，探究了罐體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響及其規(guī)律，以及預(yù)應(yīng)力、罐內(nèi)氣壓和底板約束數(shù)量對(duì)外罐結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律[5]。這些研究成果對(duì)夾套容器的應(yīng)力分析有著一定啟示作用。

1 容器基本介紹與有限元模型建立

該夾套容器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，各部件分別為筒板、筒門框、筒門、內(nèi)筒、外筒、筒封板、內(nèi)接管、夾層接管；內(nèi)筒壁厚為20mm，外筒壁厚為10mm，筒板與筒封板壁厚為85mm，筒門厚度為50mm，整體外徑為1720mm，長(zhǎng)度為2170mm，其他部件尺寸可根據(jù)圖中比例尺獲?。煌查T可依靠外部機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件（非承壓部件未畫出）移動(dòng)，上述材料皆選用結(jié)構(gòu)鋼。

對(duì)該夾套容器建模后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分4117003個(gè)四面體結(jié)構(gòu)單元；在筒門與筒門框以及筒板與筒門框設(shè)置為摩擦接觸；在內(nèi)筒與外筒之間夾層注入冷卻水其溫度為15℃、其壓力0.6MPa；筒內(nèi)可注入氬氣、氮?dú)獾冉橘|(zhì)其壓力為1MPa（后文稱為內(nèi)壓）、溫度為70℃（后文稱為內(nèi)溫）。并定義上述條件為參照邊界條件。

圖1 夾套式容器立體圖

圖2 夾套式容器剖面圖

2 容器應(yīng)力分布

以上述的參照邊界條件為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖3所示。

通過應(yīng)力強(qiáng)度云圖發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域集中在紅色區(qū)域即內(nèi)外筒與筒板和筒封板連接部位、筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區(qū)域。

針對(duì)上述應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在制造時(shí)宜在內(nèi)外筒與筒板筒封板連接處添加筋板以緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)象，筒門筋板處應(yīng)力集中可通過增加筋板厚度來處理，筒門框角應(yīng)力較大可以通過在增加筒門框厚度或者添加筋板的方式來降低應(yīng)力，筒門框接觸的筒板附近區(qū)域較大的應(yīng)力可以通過增加兩者接觸面積來減小應(yīng)力。

圖3 選材為結(jié)構(gòu)鋼時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3 不同內(nèi)壓對(duì)容器應(yīng)力分布的影響

以第一節(jié)所述的參照邊界條件為基礎(chǔ)，設(shè)內(nèi)壓作為自變量；當(dāng)內(nèi)壓為0.6MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力強(qiáng)度梯度分布云圖與前文圖3類似，在上述的模擬分析結(jié)果中選取同樣位置的1000個(gè)節(jié)點(diǎn)（選取節(jié)點(diǎn)位置見圖4）的應(yīng)力強(qiáng)度在圖5中表示，內(nèi)壓與選取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度平均值關(guān)系如圖6所示。由上述數(shù)據(jù)得，在其他邊界條件不變時(shí)所選內(nèi)壓幅值范圍內(nèi)，容器內(nèi)壓與其應(yīng)力強(qiáng)度為正比關(guān)系。

圖4 選取節(jié)點(diǎn)位置示意圖

圖5 四種內(nèi)壓模擬結(jié)果節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)比圖

圖6 內(nèi)壓與選取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度平均值關(guān)系圖

4 不同內(nèi)溫對(duì)容器應(yīng)力分布的影響

以第一節(jié)所述的參照邊界條件為基礎(chǔ)，設(shè)內(nèi)溫（介質(zhì)溫度）作為自變量；當(dāng)內(nèi)溫為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力梯度強(qiáng)度分布云圖與圖3類似。

在上述的模擬分析結(jié)果中選取同樣位置的1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度在圖7中表示，內(nèi)壓與選取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度平均值關(guān)系如圖8所示。由上述數(shù)據(jù)得，在其他邊界條件不變時(shí)所選內(nèi)溫幅值范圍內(nèi)，容器內(nèi)溫與其應(yīng)力強(qiáng)度為正比關(guān)系。

5 夾套式容器檢驗(yàn)

檢驗(yàn)的重點(diǎn)部位應(yīng)當(dāng)為第二節(jié)中所述部位，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)比常規(guī)結(jié)構(gòu)容器檢驗(yàn)[6]更要注意的是，該結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)還應(yīng)注意筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區(qū)域的安全狀況，對(duì)這些部位須加強(qiáng)宏觀檢查以確認(rèn)其是否存在裂紋、鼓包、變形、機(jī)械損傷、腐蝕等現(xiàn)象，同時(shí)可利用磁粉、超聲、滲透、射線檢測(cè)等手段排除其有表面與埋藏缺陷的可能[7]。對(duì)重點(diǎn)部位選取測(cè)厚點(diǎn)數(shù)量不少于15點(diǎn)以探查其是否有減薄現(xiàn)象的發(fā)生[8]。

圖7 五種內(nèi)溫模擬結(jié)果節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)比圖

圖8 內(nèi)溫與選取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度平均值關(guān)系圖

6 結(jié)論

在第1節(jié)所述條件中，經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)閮?nèi)外筒與筒板和筒封板連接部位、筒門筋板、筒門框角及與其接觸的筒板附近區(qū)域，并給出處理方法以及后期檢驗(yàn)注意事項(xiàng)。

由前文數(shù)據(jù)所得內(nèi)壓、內(nèi)溫與材料應(yīng)力強(qiáng)度成正比關(guān)系。該結(jié)構(gòu)部分區(qū)域在0.6MPa到2MPa區(qū)間中內(nèi)壓與應(yīng)力強(qiáng)度比例系數(shù)約為48（即內(nèi)壓變化1Pa，應(yīng)力強(qiáng)度變化約48Pa）。在40℃到80℃區(qū)間中內(nèi)溫與應(yīng)力強(qiáng)度比例系數(shù)約為0.31MPa/℃（即內(nèi)溫變化1℃，應(yīng)力強(qiáng)度變化約0.31MPa）。該比例系數(shù)對(duì)其他工況下壓力容器的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)亦具有一定的參考價(jià)值。