椭圆封头的非常规开孔设计综述

一、 综述

为了满足操作工艺的要求, 化工容器不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并连接接管。

这对容器壳体的应力分布与强度都有显著的影响: a. 开孔不仅削弱了容器壳体的整体强度, 而且还会因开孔引起应力集中; b. 容器壳体与接管在连接部位形成结构不连续应力; c. 容器壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡引起应力集中。这3种影响因素均会使容器壳体开孔接管部位的应力突增, 在接管连接部位形成高应力区。另外, 在制造过程中常采用焊接方法来实现接管和容器壳体的连接, 还有可能会在连接处产生焊接缺陷。这样一来使容器壳体接管部位成为容器强度的薄弱部位。因此, 在化工容器设计中, 对开孔接管问题, 一方面是研究开孔接管处的应力分布情况和应力集中程度; 另一方面是研究接管连接部位的加强结构, 以便在强度上使容器壳体因开孔受到的削弱得到合理的补强。[i]

关于容器筒体或封头上接管处的应力分析和应力集中程度的研究, 国内外学者作了大量的工作[[ii]^，[iii]^，[iv]^，[v]^，[vi]^，[vii]^，[viii]] , 取得了不少成果, 而且许多研究成果已成功地应用于容器的设计规范中, 例如, 应力指数法[[ix]] 已列入ASME-III[[x]], ASME-V III-2[[xi]]和JIS B 8250[[xii]]等规范中, 我国的压力容器分析设计标准JB4732[[xiii]]附录C中也收录了此法; 应力集中系数曲线法[[xiv]] 已被英国的容器规范BS 5500[[xv]] 所采用。但是, 由于结构的复杂性和寻求解析解的困难性, 目前对容器壳体上接管部位的研究和取得的成果多集中在径向或中心接管结构上, 而对于容器壳体特殊方位上的接管研究较少,例如偏心矩形大开孔接管，跨封头与筒体开设人孔结构等， 特别是对容器封头上连接水平切向接管结构的研究未见报道, 使该类接管结构的工程设计过于保守或者缺少计算依据。

二、 应力计算与强度分析

要进行应力计算与强度分析，首先我们要进行模型的建构。

模型的建构是比较常规的部分，按照实际情况根据被研究对象的对称性进行建模、网络划分并添加约束和载荷。在进行网络划分是，要注意根据不同的情况，提前对可能出现较大应力的区域进行预判，并对该区域进行网格的细化处理，以求提高数值解的精度，利于后面的分析。随后，我们可以通过有限元软件进行运算，得到相应的计算结果。并进行相关的分析与评定。

首先我们讨论椭圆封头水平接管部位应力分析和加强效果研究，这是几乎全新的设计。[[xvi]]

在进行相应的计算过后，我们可以看到多处应力强度出现了较大的值, 最大应力强度达772. 67MPa, 出现在外壁面接管和封头相贯线处。另外, 该封头水平切向接管结构应力分布的另一特点是, 连接区接管上的应力强度也出现了较大值, 其最大值达623. 66MPa。故按照常规设计准则, 连接部位的强度不满足要求。按照分析设计准则进行强度评定, 在高应力强度区617. 32、623. 66、663. 06、687. 63、772. 67MPa 5个点(图4c、d)处取5条横穿封头壳体和接管壁厚的线段作为应力强度评定线, 沿评定线对应力进行线性化处理, 按ASME-VIII -2和JB4732方法进行强度评定, 线性化处理结果和评定结果见表 1。

由表 1结果可见, 在连接区存在着较大的局部弯曲应力p b, 在应力强度663. 06 MPa 评定线(即接管与封头壳体连接右角点) 处还存在着较大的二次应力Q 和峰值应力F。在选定的5处强度评定线上, 强度均不满足要求。

通过上述的应力分析和强度评定可见, 在没有采取任何加强措施时, 该设备底封头上水平接管部位的强度是不满足要求的, 要使该结构安全地投入使用, 需设计合理的加强结构。又由上述的应力计算结果可知, 接管和封头壳体部位的较大应力强度不仅出现在封头壳体上, 也出现在接管壁上, 只有对连接部位的封头壳体和接管壁同时加强, 才能取得理想效果。即采用壁厚δ₁ =10mm、长， 材料为10号钢的厚壁管加强接管, 同时采用板厚δ₂ = 10mm, 环宽120mm, 材料为Q 235的椭圆形补强圈在封头外壁面加强封头壳体, 加强结构如图 1所示。