一种蝶形封头的开孔应力分析计算

梁庆海 吉林设计院

[摘  要]本文对一种薄壁蝶形封头开孔的强度进行应力分析计算，采用应力分类法进行评定，并对制造检验提出相关要求，为工程技术人员提供参考。

[关键词]开孔接管；应力分析；

因工艺操作的需要，往往在设备上设置很多开孔接管，比如搅拌器凸缘开孔，自控仪表开孔，介质进出口等等，开孔接管不仅对原来壳体的承载能力进行了削弱，而且在开孔接管与壳体连接处，产生很高的峰值应力，即应力集中现象，峰值应力对低温设备以及疲劳设备都会产生一定的破坏作用，是裂纹产生的根源，所以在结构设计和补强计算等方面要引起足够的重视，在制造检验方面应提出更高的要求，以保证设备安全可靠的运行。本文以一种蝶形封头的开孔应力分析计算为例，对分析计算的过程进行详细介绍，采用应力分类法进行安全评定，并结合GB/T25198-2010《压力容器封头》以及JB4732-1995(2005年确认)《钢制压力容器-分析设计标准》，在制造检验方面提出相关的要求。

一、案例分析

1.用户数据

 该蝶形封头内径为1850mm，球冠高为393mm（包括35mm直边段），球冠半径为1850mm，小圆弧半径为185mm，封头名义厚度为6mm，最小成型厚度为5.5mm，采用封头标准为GB/T25198-2010，支撑结构采用鞍座，远离封头TL线，封头材料为S31603板材，基本设计参数如表1所示：具体结构参数详见施工图。                    

表1：基本设计参数

2.结构模型

 以下计算所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm，取全模型进行分析,其它结构参数详见设计图纸。

图1: 封头开孔结构详图

表2: 封头结构参数

3.材料参数

二、有限元分析

本分析计算主要针对该蝶形封头在设计压力和试验压力下的强度和稳定性进行应力分析，强度评定依据JB4732—1995《钢制压力容器分析设计标准》(2005年确认)，应力分析用数值方法，采用ANSYS14有限元计算程序，分析计算所有厚度均为有效厚度。

根据封头结构及载荷特点，可取封头全模型进行应力分析，建立力学模型如下：

1.有限元模型

                                                               图2: 封头有限元模型详图

2.载荷和边界条件

对封头强度和稳定性进行应力分析，根据图纸的要求，计算工况共计两种工况。

1）封头设计工况：

设计应力为0.3 MPa

2）封头试验工况：

试验应力为0.38 MPa

图3: 封头载荷及边界条件详图

3.单元选择

  网格剖分采用20节点六面体单元。对应力最大位置进行网格加密。

三、应力分析结果

1.由工况1计算得最大应力为230.3MPa，位于封头过渡转角连接处，最大位移为3.16mm。详见图4~图5.

图4: 封头应力分布图（工况1

图5: 封头位移分布图（工况1）

2.由工况2计算得最大应力为248.8MPa，位于封头过渡转角连接处，最大位移为2.96mm。详见图6~图7.

图6: 封头应力分布图（工况2）

图7:封头位移分布图（工况2）

四、强度评定

根据不同工况，通过应力最大点，沿壁厚方向选取路径，详见图8。

                图8:分析路径位置图（路径1-6）

设计工况:

第1条分析路径

    一次局部薄膜应力强度：SII= 38.2MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

    一次加二次应力强度：SIV= 217.3MPa < 3.0Smt= 351MPa

第2条分析路径

    一次局部薄膜应力强度：SII= 82.2MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

    一次加二次应力强度：SIV= 155.6MPa < 3.0Smt= 351MPa

第3条分析路径    

    一次局部薄膜应力强度：SII= 84MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

一次加二次应力强度：SIV = 147.8MPa < 3.0Smt= 351MPa

第4条分析路径

    一次局部薄膜应力强度：SII= 119.7MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

    一次加二次应力强度：SIV= 165.7MPa < 3.0Smt= 351MPa

第5条分析路径

    一次局部薄膜应力强度：SII= 96.8MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

    一次加二次应力强度：SIV= 167.7MPa < 3.0Smt= 351MPa

第6条分析路径    

    一次局部薄膜应力强度：SII= 104.4MPa < 1.5KSmt=175.5MPa

一次加二次应力强度：SIV = 153.1MPa < 3.0Smt= 351MPa

试验工况:

第7条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII= 44.2MPa < 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 238.4MPa < 3.0Smt= 351MPa

第8条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII= 106MPa < 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 192MPa < 3.0Smt= 351MPa

第9条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII = 103MPa< 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 167MPa < 3.0Smt= 351MPa

第10条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII= 116.7MPa < 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 134.3MPa < 3.0Smt= 351MPa

第11条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII= 126.3MPa < 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 130.8MPa < 3.0Smt= 351MPa

第12条分析路径 

   一次局部薄膜应力强度：SII = 125.7MPa< 1.5KSmt=219.4MPa

   一次加二次应力强度：SIV= 207.6MPa < 3.0Smt= 351MPa

该封头开孔强度和刚度满足设计工况和试验工况的要求。

五、制造检验要求

 1. 该封头严格按照GB/T25198-2010和JB4732-1995中的制造检验验收要求进行制造，并应严格控制制造偏差。

2. 该封头拼接焊缝表面不得有裂纹等降低强度的缺陷，成形后最小厚度不应小于5.5 mm ,转角半径不小于185mm。封头转角内外园弧加工完成后，需进行表面渗透检测，合格标准按JB/T4730-2005中I级合格的规定。

3.板材应按照GB24511-2009标准的规定，表面质量等级不低于 1D级。

4.封头不得采用硬印作为材料的确认标记和焊工标志。

5.先拼板后成形的蝶形封头，拼板的对口错边量不得大于0.5mm。

6. 先拼板后成形的蝶形封头在成形前应将焊缝余高打磨至与母材齐平。

7.样板与封头内表面间的最大间隙形状公差，外凸不得大于10mm,内凹不得大于5mm。

8. 先拼板后成形的蝶形封头应进行100%RT检测，合格级别应符合JB/T4730.2中II级的规定。

9.接管开孔不得开在封头拼接焊缝处。

10．不锈钢接管应满足GB/T14976-2012的要求，负偏差不得超过壁厚的10%。

11.开孔接管与封头焊缝采用全焊透结构，内外呈凹面圆滑过渡，转角半径不低于5mm,且内外表面进行100%PT检测,合格标准按JB/T4730-2005中I级合格的规定。

12.该封头开孔计算未考虑管道载荷以及其他附加载荷的影响。