压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析

李迪

摘要：压力容器在石油化工企业生产过程中是一种非常常见的设备，压力容器设备具有储存液体、气体的作用。压力容器主要包括：储运容器、反应容器、热换器以及分离器。压力容器接管区的主要目的是为了符合工艺需求，但是也造成接管区出现复杂的应力状态，通过对压力容器接管区应力进行对比和分析，在掌握压力容器的筒体、接管以及连接部位应力状况的基础上，对比压力容器接管区应力集中弹性塑形变化，并提出相关的解决措施，能够有效提高压力容器接管区的强度。不断对压力容器进行改进，使压力容器的设计，制造，检验以及使用等环节都能得到充分保障，实现了压力容器的迅速发展。

关键词：压力容器;应力集中;有限元分析

压力容器是一种广泛应用于石油化工企业的常用设备，压力容器由于结构和工艺要求存在差异性，一般情况下需要进行开孔装接管。但是压力容器在运行过程中具有突变的几何形，在接管区域往往会形成不连续的应力变化，导致接管区出现应力集中的情况，引起压力容器局部发生高应力现象，因此，需要利用有限元分析开孔接管区的应力集中变化，确保压力容器能够安全运行。

一般情况下，压力容器接管器具有复杂的应力状况，导致该现象的原因主要包括：第一，对压力容器进行开孔会对容器壳体造成破坏，缩小容器承载面积，导致压力容器边缘接管区域出现应力集中。第二，压力容器接管区会出现断层性结构，接管区域和壳体在受到内压影响下会发生变形，在协调变形中会出现边缘应力，因此，需要利用有限元分析法进行压力容器应力集中计算。

1模型的有限元分析

1.1几何模型机载荷

在进行模拟过程中使用有限元模型主要是根据压力容器的结构特性和荷载特征。但是在实际应用过程中，压力容器的结构特征和载荷特征为轴对称，因此在实验过程中，可以在对称面施加一定的对称约束力，并且在接管端不施加轴向移位约束，并对压力容器的筒体以及接管区域施加压力载荷，可以忽略重力及外压对计算结果的影响。

1.2网格划分

基于仅是对于在内压作用下接管应力的研究，因此针对这些情况，可以实行结构对称性应用，利用有限元模型对接关系进行建模，接管除外伸长度与筒体长度都要比起边缘应力缩减长度要大。

1.3应力分析结果

通过研究压力容器筒体上接管应力等值线，可以清晰看出：应力值在距离压力容器接管区较远地方并没有明显变化，因此，此处的应力值基本上属于压力容器筒体上的薄膜应力，而应力变化幅度最大的地方是压力容器接管连接处，压力容器接管区的用地非常集中。通过压力容器连接边缘处应力分布状况曲线图可以明确指出。在压力容器接管与筒体连接区的表面出现应力对称分布状况，并且在此区域的最大应力值主要分布在接管区与筒体连接区域的两侧。

通过压力容器接管区的应力状况可以看出，最大应力数值位于压力容器筒体与接管区域相切处，此处的应力值最大，并且在该区域附近会出现明显的应力变化梯度，其中相对较小的应力较小区域在接管部位附近的筒体壁面。根据这两种结果，我们可以得出，压力容器接管区的应力集中数值在压力容器切向接管区域中较大。在筒体内表面接边缘处的应力分布状况为左右对称状况，当时这种堆成情况并不能完全体现在分布区域，并且在压力容器接管区与筒体相切处出现最大应力值。

通过上述内容可以看出，应力值在距离压力容器接管处较远地方并没有明显变化，只有属于筒体本身的薄膜应力，而应力值变化幅度最大的地方在于压力容器接管连接区，并且该区域的应力非常集中，利用有限元分析可以有效得出，筒体几合的不连续性会导致更大的阴应力值出现，因此在实际应用过程中应该尽可能选择正交接管形式，才能够在最大程度上确保压力容器的安全性。

2有限元模型计算压力容器结果及强度评定

压力容器接管和筒体连接区域是压力容器最容易发生危险的环节，在进行压力容器接管时需要对接管区有限元应力进行计算，并按照有限元影响范围，状态分布以及用理性质等环节进行分析，可以将压力容器接管区的应力分为一次应力，二次应力和峰值应力。其中，一次应力是指在外荷载的基础上，能够满足基本平衡条件的法向应力和剪应力。二次应力是指压力容器内部部件與相邻部件之间的结构约束，自身结构约束会引起法向应力和剪应力;峰值应力式压力容器内部分结构不连续或者局部热应力集中在一起，从而引起一次应力与二次应力之和的应力增量，因此在实际应用过程中，峰值应力形成的过程中具有最高应力值。对应力强度进行评定时，需要结合有线处理法和点处理法，如果为复杂的应力曲线，则需要考虑面处理法。利用线性化和均匀化的方式对压力容器的应力分布区域进行处理，能够有效计算出应力分布区域的非线行应力、线性应力以及平均应力。结合有限元分析法可以计算出压力容器的薄膜应力、峰值应力以及弯曲应力。并计算出不同应力类型及其组合应力强度。

3结束语

一般情况下，压力容器在运行过程中使用正交开孔接管或者斜交开孔接管等形式，压力容器接管区是为了满足某些工艺生产条件需求。通过压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析，可以发现在压力容器接管区会出现应力集中的现象，并且应力最大值均位于压力容器已接管区相接处的内侧，随着距离的不断增加，应力集中系数会逐渐减小，由此可以说明接管区在应用过程中容易发生大开孔结构，从而在一定程度上加快了筒体几何的不连续性，会导致更大的集合应力出现。因此在实际应用过程中需要合理选择接管形式。压力容器切向开孔接管区具有足够的强度，可以有效符合生产需求，但是在实际应用过程中，需要对接管区的强度状况进行评价，确保在生产过程中的安全性和可靠性。

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