压力容器斜大开孔的有限元分析

?必威动态 ????|???? ?2019-07-20 11:39


  压力容器斜大开孔的有限元分析邓广发1,莫建益2果进行应力分类和校核,在此基础上进行结构优化设计。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。
  对容器开孔接管结构的应力分析是压力容器设计或校核中最常见、最普遍的分析模型。由于接管与壳体连接处的结构不连续,会在内压载荷作用下产生应力集中现象,从而往往会成为压力容器的局部高应力区。同时由于容器开孔接管部位和型式的不同,都会影响应力水平和分布,因此容器开孔模型的应力状况常常十分复杂。
  压力容器的设计计算可分为规则计算和分析计算两类,分别对应两种标准:美国ASMEW第一分篇和我国GB15CM998采用的是传统的规则设计,其基本思想是不需要对压力容器的各个部位进行详细(xiáng xì)的应力分析,而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计作一些规定,如选材、安全系数、特征尺寸、制造工艺等都必须满足一定的条件。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。该方法简单易行,目前国际上仍然采用它进行许多压力容器的设计计算;但由于容器设计中常会出现超出规范限制条件的结构或其他传统方法无法解决的问题,此时就应采用更科学更严密的分析设计方法,其依据的规范是美国ASMEW第二分篇和我国JB4732~1995分析设计过程的重要是首先对部件进行详细的应力分析,然后对应力计算结果进行分类并校核,再根据校核结果进行设计上的优化。由于这种定量分析结果使结构更趋合理,能充分发挥材料的承载潜力,因此,用分析计算设计的容器,可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。
  1应力分类与强度校核压力容器应力分析中一般将计算出的应力结果分类为一次应力、二次应力和峰值应力。
  一次应力是平衡外载荷所产生的应力,它没有自限性,当一次应力超过材料的屈服极限时,就会引起过量的塑性变形而造成结构破坏,因此一次应力对容器的失效影响最大。一次应力又可细分为一次总体薄膜应力Pm,一次局部(part)薄膜应力Pl,一次弯曲应力Pb.需要注意的是,在应力分析时计算出的Pl值是指局部应力区薄膜应力的总量,己包括了Pm,所以一般只需校核PL即可而不必再校核Pm.二次应力Q是为满足外部约束和自身变形连续性要求产生的应力,它具有自限性,也就是说,当Q超过屈服极限后,产生局部塑性变形,如果这种变形能够弥补一次应力引起的弹性变形不连续性,塑性变形就会自动停止,因此Q对容器的危害属于第二位的。
  峰值(peak)应力F是由局部结构不连续或者局部热应力引起的、扣除了一次应力和二次应力之后的应力增量。峰值应力具有高度的局部性和自限性,不会引起显著变形,因此对于不存在交变载荷的容器可以不考虑峰值应力。
  ASME第二分篇采用以下公式对以上应力类型进行强度校核:一次薄膜应力校核:Pl  2斜大开口的分析计算某压力容器的设计参数(parameter)如下:设计压力2 5MPa设计温度(temperature)20*C,筒体和接管材料均为钢2容器筒体规格0426mmx12mm,开孔接管规格*300mmx8mm,该管口中心线与筒体开孔处的法线成22*夹角。对于该工程实例,已无法按规则设计方法进行计算,常规的压力容器设计App对此也无能为力,必须采用应力分析方法。
  本文使用美国AppFE/PIPE对该斜大开口接管模型进行有限元分析。
  比03由于设计温度为20*C,故冷热态许用应力均为134MPa建立有限元模型,网格划分如所示。
  使用FE/PIPEApp进行分析计算,由于该容器不存在交变工况,故不计算峰值应力。计算结果如表1所示。
  表1原模型计算结果位置应力分类应力计算值/MPa许用应力/MPa应力值许用值结论一次应力不合格靠近开孔处的筒体二次应力合格一次应力不合格靠近开孔处的接管二次应力合格一次应力合格接管过渡区二次应力合格一次应力合格远离开孔处的筒体……
  二次应力合格一次应力合格远离开孔处的接管二次应力合格从表1可见,开孔处接管和容器筒体的一次应力均超标,因此需对结构进行修改。由于该模型的接管应力值大于容器的应力值,故用增加接管厚度的方法应该优于使用加强圈。
  3改进结构后的计算结果及对比分析将接管厚度增加至12mm,其他参数不变,重新进行分析计算,结果见表2表2改进结构后的计算结果位置应力分类应力计算值许用应力/MPa应力值许用值结论一次应力合格靠近开孔处的筒体二次应力合格一次应力合格靠近开孔处的接管二次应力合格一次应力合格接管过渡区二次应力合格一次应力合格远离开孔处的筒体二次应力合格一次应力合格远离开孔处的接管二次应力合格由表2可见,接管加厚后设备的所有部位均满足分析设计规范的强度要求,最大一次应力发生在靠近开孔处的接管,为许用应力的90%,既保证了设备安全,又能充分发挥材料承载能力。表3显示了接管加厚后的应力下降幅度值。
  表3数据显示,除远离开孔的筒体外,所有部位的
  一、二次应力均有较大幅度的下降,最大应力下降幅度达33%.华东电力bookmark5蜂窝式汽封在110MW汽轮机通流技术改造中的应用赵建民压前后轴封漏汽掉真空问题,增强叶顶汽封的去湿效果,提高了机组运行的经济性和安全性。
  北京高井热电厂1、2号机分别投产于1961年4月、1964年5月,为前苏联机组。2005年对1、2号机进行了通流技术改造,改造范围为低压台板及以上的汽轮机通流部件全部更换,包括高、低压缸,高、低压隔板,高、低压转子;前箱调速部套及1~5号瓦。改造后机组型号为N110/C80883/05为可调整抽汽供热机组。在新机设计中,哈汽直接采用了上海丹迪电力技术有限企业的专利技术产品一FW蜂窝式汽封,将低压前后轴封、隔板汽封、次末级及次次末级叶顶汽封全部采用了蜂窝式汽封。
  1梳齿式迷宫密封改造为蜂窝式密封的必要性梳齿式密封结构是汽轮机使用最广泛的一种传统密封结构,鉴于其技术模式的特点,存在以下表3结构改进前后的计算结果对比位置应力分类改进前应力MPa改进后应力MPa应力下降(descend)幅度%靠近开孔处的筒体。
  一次靠近开孔处的接管。
  一次接管过渡区一次远离开孔处的筒体。
  一次远离开孔处的接管。
  一次4结语遵循分析设计过程的主要步骤,采用有限元法对容器斜大开孔模型进行有限元网格划分、应力分析、对应力结果分类并进行校核,在此基础上优化模型结构,使得容器及接管各部位结构合理,应力水平良好且充分发挥了材料(Material)承载能力,解决了传统规则设计方法和常用设计App无法解决的问题。