受内压无折边偏心锥壳的应力测试和分析.pdf

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1、222化工机械2014焦受内压无折边偏心锥壳的应力测试和分析+李立新料1蔡晋辉2蔡刚毅3金伟娅4(1．中国电子科技集团公司第五十二研究所；2．中国计量学院；3．浙江省特种设备检验研究院；4．浙江工业大学化工机械设计研究所)摘要对某带偏心锥壳结构的小型压力容器进行应力测试和有限元分析，将两者所得的数据进行对比，发现两者的应力分布趋势和数据结果基本一致，验证了有限元计算结果的准确性，并且对两者之间的一些数值偏差进行了原因分析。同时得出了当偏心锥角处于30—45。之间时，按照相同角度的正锥壳设计得到的偏心锥壳结构是可以正常工作的结论。关键词压力容器偏心锥壳应力测试有限元分析中图分类号TQ051．3

2、文献标识码A文章编号0254-6094(2014)02-0222-05偏心锥壳普遍应用于石油化工领域，釜式重沸器中连接大、小端圆筒的结构即为典型的偏心锥壳结构。由于偏心锥壳结构的非轴对称性，在同一轴截面上沿圆周方向和沿着轴线方向上偏心锥壳的应力分布与正锥壳的应力分布都不相同。对于锥角小于30。的偏心锥壳，GB150和ASMEⅧ-2中偏保守地规定偏心锥壳的设计参照正锥壳进行¨一J。国内不少学者对偏心锥壳进行了研究，如王慎行推导了几种偏心锥壳在内压作用下的薄膜应力，并且给出了相应的公式口’；李红霞通过有限元方法研究了固定管板釜式重沸器中偏心锥壳转角过渡区的应力H1；周士强通过应力分析法建立微分方

3、程，求解并推导出了偏心锥壳壁厚设计的计算公式”1。为了更好地了解偏心锥壳的应力分布状况，笔者对承受内压载荷的偏心锥壳进行了实验研究，利用有限无分析，采用整体建模的方法对其进行有限元分析。三维有限元数值分析的计算可以准确地描述偏心锥壳的应力分布，使应力计算更为精确呻1。1实验容器结构参数现以某带偏心锥壳的小型压力容器为实验容器。大、小端简体内径分别为500、300mm，筒体长分别为250、500mm，偏心锥角450，设计壁厚8mm，设计压力1．6MPa，容器材料为Q345R，容器设计为立式结构。偏心锥壳按照锥角为450的正锥壳设计，具体尺寸设计如图1所示㈨。图1容器模型设计图2电阻应变测试对实

4、验容器进行注水试验，在静态水压的载}国家质检总局科技计划项目(I'2012-JLXY-0015)。}}李立新，男，1966年12月生，高级工程师。浙江省杭州市，310012。第4l卷第2期化工机械223荷条件下，采用电测法测试其表面的应力分布。2．1测点布置整个容器粘贴44片直角应变花，分别布置在以下6个位置：偏心锥壳最大和最小倾斜角经线及其连接的大、小筒体外壁，分别定义为Ll和L2；容器侧面及其对称面外壁，分别定义为L3和IA；大、小端简体外壁与偏心锥壳连接点沿周向分布，分别定义为L5和M。具体布置情况如图2所示，温度补偿采用在材料与容器相同的试块上。z¨＼厂≯＼＼／J卜Y^坠辽趴．／44

5、＼∥，鞫融j驴戳o／}越萋planel．／：。厂义≮／3n1．5、1．6图2容器应变片布置及编号2．2实验及数据分析用高压胶管把容器与试压泵相连，运行DH3818静态应变测试系统软件，输入参数调整平衡；然后按0．6、1．0、1．2、1．6MPa分别升压，并分别测数据，记下应变读数，根据应变数据计算出各点在每个压力级下的环向应力和径向应力值。笔者主要对环向应力值进行分析，表1为L1的应变片在4个压力级下测试所得的环向应力值。表l容器承受内压时应变片的环向应力值MPa应变片编号内压／MPaO．61．O1．21．6，＼j。；；，，224化工机械2014年(续表1)应变片编号内压／MPa78910l

6、l一7．0—8．413．315．915．1一11．3一13．521．425．724．3—14．6一17．327．232．831．6—2I．4—25．839．547．245．5从表1中可以观察到：在实验中容器处于弹性状态；表中各应变片所测得的环向应力值随着承受内压的增大而增大，且接近于线性关系(图3)；在大端筒体与偏心锥壳的连接区域，即应变片7、8所在位置，环向应力表现为压应力。图3实测环向应力值与内压值的关系3有限元计算与应力测试的对比分析有限元建模、网格划分和边界条件施加参照文献[7]。按照文献[7]的方法进行建模计算，采用全模型建模，以体单元Solid95进行网格划分，沿壁厚方向的网格为

7、3层，共产生135662个节点，27000个单元。壳体内壁施加均匀内压P为1．6MPa，大、小端筒体端面施加环向约束和轴向约束，并对大、小端筒体端面的所有节点施加径向耦合‘8'引。得到计算结果，在有限元计算模型中取与实验测试点相对应的节点的环向应力值，并对它们进行对测试点／mna．位置Ll位置IJ3和14e．位置L6图4模型各位置的环向应力对比∞帅舯加∞∞∞∞∞m0第41卷第2期化工机械225从图4a可以看出