趙晨光

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

引言

在壓力容器設(shè)計中，接管是一種很常見結(jié)構(gòu)。通常按照接管軸線的方向，一般分為徑向接管、斜接管以及切向接管。接管處的開孔往往導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，而且整體強度亦收到削弱[1]，壓力容器設(shè)計人員應(yīng)予以高度重視。

徑向和斜接管的開孔補強一般可以利用等面積法進行計算，而切向接管開孔的長短徑之比通常大于2.0，此時等面積法已經(jīng)不再適用[2]；而且有時為了保證工藝方面的要求，切向接管的軸線方向還會與水平線成一定的角度，這更加劇了開孔處的應(yīng)力集中問題，本文將其稱作切向斜接管。迄今為止，已經(jīng)有很多學(xué)者對壓力容器的徑向和切向開孔接管進行了大量的研究[3-5]，但對切向斜接管的研究卻很少見文獻報道。目前，通過有限元模擬分析的方法能較好地計算這種接管的強度應(yīng)力問題，然后根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進行應(yīng)力評定；本文采用有限元軟件ANSYS Workbench 14.0 對具有不同傾斜角度的切向斜接管進行模擬分析，得到傾斜角度對開孔處應(yīng)力的影響。

1 工程案例

現(xiàn)在某化工裝置中，一臺設(shè)備的筒體上開有切向斜接管，其設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸，如表1 所示。

表1 設(shè)計條件和結(jié)構(gòu)尺寸

筒體內(nèi)徑Φ4 400 mm，接管尺寸DN50，采用厚壁管結(jié)構(gòu)，外徑D0=80 mm，內(nèi)徑Di=43 mm，同時接管軸線方向與水平線方向成15°，由于開孔的長短徑之比大于2.0，等面積法不適用。根據(jù)項目統(tǒng)一規(guī)定，只能采用有限元方法，通過有限元分析，已經(jīng)評定了此處的應(yīng)力為合格。

在上述工程實例的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench 14.0 建立筒體與切向斜接管模型，傾斜角度包括0°、10°、15°、20°、30°、45°，考察接管在上述情況下的應(yīng)力變化情況。因為對于長圓形開孔，開孔長軸方向與圓筒軸線垂直時，具有較小的應(yīng)力集中系數(shù)，所以本文不考慮傾斜角度大于45°的接管，因為應(yīng)力集中過大，不推薦使用，本文只研究最大45°的傾角。

2 有限元分析

2.1 模型建立

利用Workbench 建立具有不同傾角的六個切向接管模型，傾斜角度見上節(jié)；根據(jù)壓力容器筒體的結(jié)構(gòu)的對稱性和加載的特性，建立四分之一的筒體，同時保證筒體、接管長度遠(yuǎn)大于相應(yīng)邊緣應(yīng)力的衰減長度；接管與筒體連接處的內(nèi)外側(cè)倒圓角，圓角半徑R均為10 mm；采用三維實體單元（SOLID185）對模型進行網(wǎng)格劃分，接管與殼體連接處應(yīng)進行網(wǎng)格的局部加密，如圖1 所示。

圖1 切向斜接管模型網(wǎng)格示意圖

模型的邊界加載條件：對筒體一端的環(huán)面限制軸向和周向位移為0 mm，而另一端環(huán)面和接管端面施加等效力；筒體的兩個軸向端面施加無摩擦約束；筒體及接管內(nèi)表面施加設(shè)計壓力p=2.41 MPa。

2.2 應(yīng)力分析

模型在pc=2.41 MPa 的設(shè)計內(nèi)壓作用下，應(yīng)力分布云圖，如下頁圖2 所示。

圖2 切向接管應(yīng)力分布云圖

從圖2 中可以看出，不論傾斜角度如何改變，最大應(yīng)力總是出現(xiàn)在沿筒體軸向銳角內(nèi)截面，因此在此處取三個方向的路徑，分別是PATH1（對角線路徑）、PATH2（接管壁厚路徑）、PATH3（筒體壁厚路徑）；每條路徑取13 個節(jié)點進行線性化處理，獲得各自的局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力及最大應(yīng)力，如表2 所示。

表2 切向斜接管三條路徑的應(yīng)力（沿筒體軸向銳角截面）

從表2 可以看出：應(yīng)力水平的大?。篜ATH1＞PATH3＞PATH2，不論角度如何改變，最危險路徑始終是PATH1（對角線路徑）；當(dāng)傾角≤20°時，局部薄膜應(yīng)力最大發(fā)生在筒體壁厚上，當(dāng)傾角＞20°時，薄膜最大應(yīng)力發(fā)生在對角線附近；最大應(yīng)力均發(fā)生在PATH1（對角線），而且在接管與筒體連接處，存在很大的峰值應(yīng)力，導(dǎo)致最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于膜+彎的最大值；彎曲應(yīng)力大?。篜ATH1＞PATH3＞PATH2，三條路徑中，PATH1（對角線）、PATH2（接管壁厚）中，彎曲應(yīng)力所占比例大于50%，PATH3（筒體）局部薄膜成分較大，達(dá)到60%以上。

根據(jù)表2 中得到的數(shù)據(jù)，為了更直觀的表達(dá)應(yīng)力隨角度的變化趨勢，得到切向斜接管模型中各應(yīng)力隨傾斜角度變化的曲線，如圖3 所示。

分析圖3-1～3-4 可知：

由圖3-1 可以看出，三種應(yīng)力均隨接管傾角的變大而增加，當(dāng)傾角≤20°時，增加趨勢近乎平緩，但當(dāng)傾角＞20°時，增加幅度急劇加大，這說明切向斜接管的傾斜角度應(yīng)盡量不超過20°；

由圖3-2 可以看出，沿著接管壁厚方向，應(yīng)力隨著傾角的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，且當(dāng)傾角超過20°時，減小的趨勢更加明顯；

由圖3-3 可以看出，沿著筒體壁厚方向，只有傾角超過30°時，三種應(yīng)力明顯下降，其他情況變化不明顯，角度改變對筒體厚度方向的應(yīng)力影響不大；

圖3 切向斜接管模型應(yīng)力變化曲線

圖3-4 中，當(dāng)傾角超過20°，最大應(yīng)力明顯增加，說明峰值應(yīng)力也隨著角度明顯增加，進一步證明了切向斜接管的傾斜角度不宜超過20°。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在2.2 節(jié)的模型中，接管與筒體連接處的內(nèi)外側(cè)倒角均為10 mm，因為最大應(yīng)力均發(fā)生在內(nèi)壁面，且存在很大的峰值應(yīng)力，導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，為了緩解局部應(yīng)力，應(yīng)使連接處圓滑過渡，現(xiàn)取接管傾斜角度為30°的模型，圓角半徑分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，得到PATH1（對角線路徑）的應(yīng)力的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力隨倒角半徑的變化曲線（PATH1）

由圖4 可以看出，R≤15mm 時，應(yīng)力隨著半徑的增加而減小，其中最大應(yīng)力明顯緩解，但是對M、B、M+B 影響幅度較小，說明倒角主要用于緩解峰值應(yīng)力；當(dāng)R＞15mm 時，應(yīng)力反而增大，說明倒角半徑不宜過大。

工程上，切向接管的補強通常采用厚壁管的形式，因為補強圈不方便焊接，而且效果并不理想。通常，出于焊接的考慮，接管壁厚與筒體壁厚的比值通常在0.5～2 之間變化。為了得到壁厚比值對應(yīng)力的影響，取具有30°傾角、倒圓角半徑15 mm 的切向斜接管模型，選用DN50、Sch80 的補強管，改變接管壁厚，接管與筒體的壁厚比值分別取0.42、0.7、1、1.3、1.6、2。得到應(yīng)力變化曲線，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)力隨著壁厚比值的變化曲線（PATH1）

從圖中可以看出：隨著接管壁厚增加，M、B、M+B減??；影響程度：Max＞彎曲＞膜+彎＞膜，其中對膜應(yīng)力影響最??；通過與圖4 對比，改變接管壁厚對應(yīng)力的影響程度遠(yuǎn)不如改變圓角半徑的影響。

3 結(jié)語

為了研究切向斜接管模型中應(yīng)力隨著傾斜角度的變化情況，本文分別取傾角0°、10°、15°、20°、30°、45°，得出結(jié)果：取了PATH1、PATH2、PATH3三條路徑，發(fā)現(xiàn)PATH1（對角線）上應(yīng)力值最大；傾角改變，對PATH1 影響最大，PATH2 次之，PATH3 影響最??；出于安全考慮，切向斜接管的傾斜角度最大不宜超過20°。

然后在此基礎(chǔ)上，通過兩方面對切向斜接管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到結(jié)論：倒角半徑R 不宜大于15 mm；切向斜接管壁厚對應(yīng)力的影響不如改變倒角半徑。