塔设备局部结构弯曲应力的评定

[摘  要]本文对塔设备局部结构在设计工况及管道载荷作用下的复合应力状态应用有限元软件ANSYS进行应力分析，对内压和外载荷分别计算，经分析比较，最终确定该弯曲应力为一次弯曲应力，为进一步对该结构进行安全评定提供依据。

[关键词]局部应力；应力分析

由化工工艺的需要，塔设备通常需要与外部管道连接，设计过程中遇到较大的管道外载荷，由此需要在塔筒体上设置垫板和支架以支撑管道载荷，这就造成筒体结构的不连续，出现局部高应力分布，因此需要对筒体和垫板连接区域进行强度校核。从ANSYS软件应力分析提取数据可知，应力分类只能得出局部薄膜应力，弯曲应力，峰值应力和总应力，无法具体确定弯曲应力是一次弯曲应力还是二次应力，对强度评定造成很大的困难。如果将弯曲应力处理为一次应力则过于保守，将失去应力分析的意义，如果全部处理为二次应力又不安全。本文通过寻找弯曲应力产生的原因，对内压和外载荷工况分开计算，分别得到各自的应力分布，最终确定弯曲应力主要是由外载荷引起，并非变形协调产生。

1、设计和结构载荷参数

表1：基本结构参数和计算条件

2、有限元分析及结果

由于主要讨论筒体和垫板连接区的应力状况，忽略其他开孔接管等结构的影响，其中筒体长度取4000mm，远大于边缘应力的衰减长度。结合筒体本身结构的具体特点，几何形状、材料和载荷特性，计算采用了三维力学模型，有限元计算时在筒体和垫板连接区采用SOLID95单元，远离不连续区采用SOLID45单元，这样不仅提高计算精度而且减少计算量，并对不连续区易出现高应力区采用六面体网格划分。建立有限元力学模型如图1所示：有限元分析结果如图2所示：

    根据应力计算结果，最大应力强度为259 MPA，位于垫板和筒体连接处，通过应力最大点，沿筒体壁厚设置路径，进行线形化处理，弯曲应力为219MPA。局部应力强度评定按《JB4732-95钢制压力容器—分析设计标准》中的应力分类的评定方法，一次总体薄膜应力强度SI=Pm≤Sm，

一次局部薄膜应力强度SII=PL≤1.5Sm，一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII=PL+Pb≤1.5Sm， 

一次加二次应力强度SⅣ=PL+Pb+Q ≤3Sm 。   

3、问题的提出

 一次应力为平衡压力或其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的。无自限性是一次应力的基本特征。控制一次应力的意义是保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,否则结构无法承载,当时就可发生破坏或产生过大的变形,其与结构的极限载荷相联系。一次应力强度是结构在机械载荷作用下的最基本强度,是必须首先满足的。

    二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所须的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性。这就决定了产生二次应力的边缘力系只能是为变形协调所产生,即只能是由变形协调引起的边缘力系对壳产生的弯曲应力才属二次应力。

    从线性化处理结果可知，实际结构中算得的最大弯曲应力为219MPA，薄膜应力加弯曲应力强度的最大值为268.6MPA，结构不连续部位的弯曲应力是由内压和外载荷引起的，该处的弯曲应力可能包含一次弯曲应力和二次成分，ANSYS后处理中只能得到**MEMBRANEPLUS BENDING**。根据JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》的评定准则，如果我们把**MEMBRANE PLUS BENDING**定为一次加二次应力，评定结果能通过，可能要不安全，留下隐患。如果把**MEMBRANE PLUS BENDING**定为一次薄膜加一次弯曲应力，结果通不过，可能又有些保守，失去应力分析的意义。因此，如何对弯曲应力分类成为安全评定的关键。

4、弯曲应力分类的确定

通过有限元分析方法，寻找弯曲应力产生的原因，分别对该结构在有外载荷和内压共同作用、仅有内压作用以及仅有管道载荷作用三种工况进行了计算，通过计算，分别得到各自的应力分布，在最大应力处沿壁厚方向选取路径进行线性化处理，并将三种工况作用下的应力分类结果进行比较，见表2所示。

通过表2分析比较，在管道外载荷和内压共同作用下，该结构局部不连续引起的弯曲应力具有一次应力和二次应力的性质，并且随着管道外载荷的增大，一次应力成分占的比例越大。对理想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的，即当结构内的塑性区扩展到使之变成几何可变的机构时，达到极限状态，即使载荷不再增加，仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。如何从复杂的应力状态中对一次应力和二次应力进行定量分析是很困难的，这给安全评定带来很大的难度。通过对该局部结构的实际力学行为进行分析，对其应力分布状态进行研究，并以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础，对该局部应力强度进行安全评定。可以看出弯曲应力主要是由外载荷引起，并非内压变形协调产生，从而确定该弯曲应力为一次弯曲应力，为进一步对该结构进行安全评定提供依据。

5、结论

1）通过计算，最大应力出现在垫板与筒体连接的外表面，建议将垫板周围角焊缝堆高打磨成圆角，呈凹面圆滑过渡，可避免高应力的出现。

2）对于尺寸比较大的垫板，建议采用塞焊的结构形式，保证与筒体之间的连接强度。

3）垫板四角需要倒圆角，可有效避免应力的集中，降低峰值应力的影响。

4）通过对塔设备局部结构应力分析，准确可靠地分析了结构的实际受力状态，避免了应力分类的盲目性。真实准确地对局部应力强度进行安全评定。以塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的分析设计，是与工程力学紧密结合的产物，它不仅解决了压力容器常规设计所不能解决的问题，也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。