化工设备中长圆开孔有限元分析

第 55 卷第 6 期 2018 年 12 月 Vol. 55 No. 6 Dec. 2018 化工设备与管道 PROCESS EQUIPMENT & PIPING 长圆视镜底座开孔有限元分析杨湖，孙志刚（无锡化工装备股份有限公司，江苏无锡摘 214131）要：一台设计压力1.1 MPa的设备采用了视镜式玻璃板液面计，对液面计底座长圆形开孔先进行了弹性应力分析，结果应力强度超出标准要求。设置短桥加强结构后，开孔的应力强度有明显改善，底座厚度可以减薄到60 mm。参考GB 150开孔补强分析法的强度评定准则，底座厚度可以进一步减薄到 40 mm，极限分析验算表明底座符合要求。关键词：长圆开孔；开孔补强；有限元；分析设计；极限分析中图分类号：TQ 050.3；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2018）06-0005-004 压力容器的视镜通常都是圆形的，但在一些特计压力 1.1 MPa 出口设备的液面计底座开孔进行了详殊情况下，视镜的开孔需要设计成长圆形，比如视细的有限元分析设计，对开孔的补强结构和分析设计镜式玻璃板液面计，其底座开孔长短径比值可达到方法进行了讨论，可为此类开孔补强设计提供参考。 17 [1-2] ，远远超出常规设计标准 [3-4] 开孔补强计算方法的适用范围。这种液面计通常用于设计压力不超过 1 计算参数 0.6 MPa 的低压设备 [1] 或者常压设备 [2]，但是在一些过滤器的设计压力为 1.1 MPa，设计温度为国外项目中，这种结构被用到设计压力 1.1 MPa 设备 80 ℃。筒体内径为 2 184 mm，壁厚 15 mm，材料为上，比国内视镜式玻璃板液面计标准适用压力范围高 SA-516 Gr.70，液面计底座材料为 SA-105，设计温度 [5] [6] 根据平板开孔理论分别下材料设计强度为 138 MPa，弹性模量为 1.991×105 提出这种开孔的工程设计方法，但是其方法有一定的 MPa，泊松比为 0.3。材料腐蚀裕量为 3.2 mm，板材局限性，现在工程设计中一般采用有限元分析设计方厚度负偏差为 0.3 mm。视镜底座几何简图如图 1 所示，得多。桑如苞法，但相关分析和宋明晨 [7-8] 中的设计压力较低。本文针对设底座的内外伸长度相等，均为 25 mm。图1 视镜座几何简图 Fig.1 Geometry sketch for sightglass bass 2 建立有限元模型 2.1 力学模型视镜底座与壳体组成的结构在几何上是 1 / 4 对称的，即环向 1 / 2 对称和轴向 1 / 2 对称，这里为了减小有限元模型，考虑底座相对筒体周长较小，进一步简化为环向 1 / 4 对称，即采用 1 / 8 对称模型。建收稿日期：2018-05-21 作者简介：杨湖（1977—），男，工程师。从事压力容器设计审核相关工作。 ·6· 化工设模时底座开孔和密封面凸台螺栓孔按照直径 10 mm 备与管第 55 卷第 6 期道 2.4 有限元分析结果与评价深度 20 mm 圆孔处理。材料的腐蚀裕量和厚度偏差结构的 Mises 当量应力分布如图 4 所示，最在建模时扣除。螺栓力和垫片力参照 ASME Ⅷ -1 法大应力出现在长圆孔半圆部分和底座边角处，底座兰设计方法计算。螺栓力和垫片力分别均布在螺栓孔上高应力区域集中在半圆部分，最大应力强度达到壁面和垫片密封面上。 642.9 MPa，而其余大部分的区域应力强度比较低， 2.2 有限元网格划分应力分布很不均匀。对危险区域进行应力线性化，PL ANSYS Workbench简单的界面操作即可实现模 [9] 强度达 582.9 MPa，是允许值 207 MPa 的 2.82 倍，型修改与计算更新，十分便捷，非常适合本文需要 PL + PB + Q 强度达到 621.8 MPa，是允许值 414 MPa 反复结构调整尺寸进行不断优化设计的情况，因此的 1.50 倍。视镜底座的 Y 方向变形分布分布如图 5 本文有限元分析采用ANSYS Workbench。有限元分所示，Y 方向位移最大值 4.37 mm，最小值 4.11 mm，析选择20节点单元SOLID 186，如图2所示，网格划相对位移 0.26 mm。分密度按同密度条件下SOLID 185和SOLID 186的应力线性化得到薄膜应力和薄膜加弯曲应力相差小于 5%确定[10]。图4 应力强度 Fig.4 Stress intensity 图2 有限元网格划分 Fig.2 Element mesh 2.3 力和位移边界条件在模型内壁面施加设计压力 1.1 MPa，在筒体端图5 结构变形 Fig.5 Deformation 面施加端部封闭效应产生的拉力推力等效拉应力，螺栓孔壁面和垫片密封面上分别施加螺栓力和垫片压紧力，如图 3 所示，由于模型的对称性，螺栓力和垫 2.5 结构补强设计片压紧力施加计算值的 1 / 4。在对称平面上施加对称约束。按照开孔补强设计思路，通过增加接管壁厚和内外伸长度以降低结构的最大应力，计算结果见表 1。由计算结果可知，通过增加厚度和内外伸高度确实可表1 底座尺寸与结构应力强度 Table 1 Base Size and stress intensity 图3 载荷与位移边界施加 Fig.3 Applying loads and displacement condition 宽度 / mm 长度 / mm 厚度 / mm 最大应力 / MPa 薄膜应力 / MPa 弯曲应力 / MPa 80 400 65 642.9 582.9 621.8 142 462 65 482.7 472.7 448.39 204 524 65 416.1 406.7 413.3 80 400 130 510.5 369.1 390.8 142 462 130 322.8 285.7 299.8 204 524 130 247.4 230.1 240.1 2018 年 12 月杨湖，等. 长圆视镜底座开孔有限元分析 ·7· 以降低底座开孔应力，但是效果并不理想，壁厚增厚视镜底座的 X 方向和 Y 方向变形分布如图 6 所 2 倍，高度增加 1 倍，薄膜应力强度评定仍然无法通过，示，底座中间部位相对边缘有竖直方向变形和水平横底座形状看起来不协调，比较奇异。这说明增加厚度向变形。视镜座 Y 方向位移最大值 4.01 mm，最小值 4.0 和内外伸高度不能很好地降低这种开孔的应力强度。 mm，相对位移 0.1 mm ；进一步分析表明底座的厚度 2.6 “短桥”结构可降低为 60 mm。设置加强筋 [7] 可以降低视镜底座的应力和变形， 2.7 极限分析考虑到视镜底座采用锻件制造，开孔宽度方向尺寸较小，不方便焊接筋板，这里采用文献 [5] 中的“短桥” 由结构调整后的弹性分析结果可知，结构强度由 PL 控制。规范对 PL 限制值 1.5 Sm 是个经验值 [11]，相关文献 [12-14] 对开孔接管的分析结果表明弹性应力结构，其中“短桥”比密封面低 5 mm。调整后的结构应力分布和变形如图 6 和图 7 所分析法对 PL 限制是保守的，同时考虑到一次薄膜加示，视镜底座应力强度大幅度降低，计算结果见表一次弯曲应力 PL + PB 评定问题 [12-14]，因此，这里对 2。当量应力最大值由 642.9 MPa 降低到 226.7 MPa， 40 mm 的底座开孔有必要进行极限分析。降幅达到 64.7%，视镜底座变形情况明显改善。对危根据 ASME Ⅷ -2[15]，极限分析采用理想弹塑性险区域进行应力线性化，PL=181.9 MPa，是允许值为本构，Mises 屈服准则和小变形假设，其中材料的屈 207 MPa 的 0.88 倍，PL + PB + Q=242.8 MPa，是允许服强度取 1.5 倍材料设计强度，为 207 MPa。为了能值 414 MPa 的 0.59 倍。够得到结构的承载极限，极限分析时需要施加足够大的载荷，这里施加 3 倍的设计载荷。最终分析在 2.782 309 2 MPa 时是收敛的，在 2.783 309 1 MPa 发散，载荷增量 0.001 MPa，取 2.78 MPa 为结构的极限载荷。极限载荷组合要符合总体准则，局部准则和水压试验要求，相应的载荷系数不同。针对本文结构，总体准则系数是 1.5，局部准则是 1.7，水压试验是图6 应力强度 Fig.6 Stress intensity 1.43，显然局部准则系数最大，所以确定结构的许用压力采用安全系数 1.7，而不是 1.5。许用压力为 2.78 / 1.7=1.63 MPa，是设计压力 1.1 MPa 的 1.48 倍。考虑到薄膜加弯曲应力已达到限制值 94%，所以底座厚度不再继续优化，底座厚度可以取 40 mm。弹性应力分析设计除了对一次应力和一次加二次应力进行评定，还应该考虑局部失效，即 3 向主应力之和小于 4 Sm，经过评定 40 mm 底座可以满足要求。图7 结构变形 Fig.7 Deformation 3 结论液面计视镜底座开孔长短径之比较大，弹性应表2 初始设计与“短桥”设计应力强度对比 Table 2 Stress intensity contrast for initial design and "short bridge" 力分析结果表明结构应力集中情况严重，应力分布很带“短桥” 变化幅度 /% 过设置“短桥”，将开孔变成 3 个长短径之比较小的不均匀，结构应力强度超出标准要求 1.5 倍以上，通参数初始设计最大应力 /MPa 642.9 226.7 -64.7 开孔，结构应力强度明显降低，底座厚度可以减薄到薄膜应力 /MPa 582.9 181.9 -68.8 60 mm。薄膜加弯曲应力 /MPa 621.8 242.8 -61.0 考虑到结构的特殊性和弹性分析方法的局限性， Y 方向相对位移 /mm 0.3 0.1 -66.7 进行了极限分析验算，结果表明底座厚度减薄到 40 ·8· 化工设备与 mm 能够满足要求，底座厚底减薄了 38.5%。本文底座内外伸长度相等，可以根据实际应力分析结果做调整，以得到更优化的设计。尽管增加“短桥”可以降低结构应力，但“短桥”数量应尽可能少，以保证液面计实际使用效果。管道第 55 卷第 6 期 2016，23（5）：112-112. 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Finite Element Analysis of Oblong Opening for Sight-glass Bass Yang Hu, Sun Zhigang （Wuxi Chemical Equipment Co., Ltd, WuXi 214131, China） Abstract: There is a vessel with design pressure of 1.1 MPa, in which sight-glass liquid gage is used. In this article, elastic stress analysis for the oblong opening on shell for this gage was carried out. The result showed the stress intensity exceeded the allowable value in standard. Then short bridge strengthening structure was added, with which the stress intensity around opening was greatly reduced and the thickness of gage base can be decreased to 60 mm. based on the criteria specified in analysis based opening reinforcement method in GB 150, the thickness may be further decreased to 40 mm, and the strength of the gage base is qualiﬁed from the result of limit analysis. Keywords: oblong opening; opening reinforcement; ﬁnite element; design based on analysis; limit analysis 欢迎订阅《化工设备与管道》（邮发代号4—669）《化工设备与管道》创刊于 1964 年，是经国家科技部、国家新闻出版广电总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。本刊为中国科技核心期刊，国家认定的学术期刊（A 类）。《化工设备与管道》为全国性专业期刊，读者对象为石油、化工、石化及相关行业从事设备与管道工程设计、建设、制造、采购、检测、维修工作的广大科研、技术与生产人员。本刊为双月刊，A4 开本，全彩印刷，自 1964 年创刊以来已出版 300 余期，发行量大，影响面广。全国各地邮局均可办理订阅，也可直接通过编辑部订阅， 10.00 元 / 期，全年定价：60 元。电话：（021）32140428-105、101，（021）62488580 邮箱：pep@tced.com 网址：www.chinapep.cn

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