复合板压力容器内件受力有限元分析.pdf

文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0048谣06收稿日期院 2023-04-10作者简介院 李小虎（1988-），男，湖北随州人，工程师，硕士，从事压力容器应力分析设计工作。复合板压力容器内件受力有限元分析李小虎渊森松 渊江苏冤 重工有限公司袁 上海200135冤摘要院 对于采用难溶金属复合板材制造的压力容器袁 其设备内部支撑部件 渊内件冤 与筒壁的焊接位置通常在复合板材料的复层上袁 导致此类焊接结构的受力情况变得复杂遥 运用 ANSYS 软件进行建模和数值分析袁 评价复合板压力容器内件在内压和外载荷 渊剪切载荷冤 共同作用下的承载能力袁 总结其受力特点和作用原理遥 基于研究结果袁 将受力过程归纳为弹性阶段尧 屈服加速阶段和位移趋同阶段 3 个阶段袁 认为内压对焊接在复合板复层上的支撑部件的最大承载能力的影响很小袁 对于常压条件下可以计算通过的支撑件袁 只要内压的增加尚未导致复合板基层屈服袁设计计算内件强度时忽略内压尧 只考虑附属载荷通常是安全的遥关键词院 复合板曰 压力容器曰 内件曰 弹塑性曰 分析中图分类号院 TQ050.2文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.008Finite Element Analysis of Stress Distributions for InnerParts in Clad Plate Pressure VesselLI Xiao-hu(MORIMATSU(Jiangsu)Heavy Industry Co.Ltd.,Shanghai 200135袁China)Abstract:For pressure vessels made of insoluble metal,the inner supporting parts(inner parts)are usuallywelded on the cladding layer of the clad plates,this may complicate the stress distribution for such weldedstructures.The load-bearing capacity of the inner parts under internal pressure and shear loads were analyzedby using ANSYS software,and stress characteristics and principles were summarized as an elastic stage,yieldacceleration stage,and displacement convergence stage.The results show that the internal pressure has littleinfluenceonthemaximumbearingcapacityoftheinnerpartofthecladplate.Forsupporting partsthatcanbecalculated under normal pressure conditions,it is usually safe to ignore the internal pressure and consider onlythe subsidiaryload when designingthe strengthofthe inner part,as longas the increase in internalpressure hasnotyetledtotheyieldingofthebaseofthecladplate.Key words:clad plate曰pressure vessel曰inner part曰elastic-plastic曰analysis近些年来袁 金属复合材料得到快速发展和广泛应用袁 有效解决了处理含腐蚀性介质化工生产装置中压力容器设备制造成本高的问题遥 应用金属复合材料制造的塔器尧 反应釜等都有内件 渊塔盘尧填料尧挡板等冤袁内件需要焊接在压力容器上袁当复合板材料中含有钛等难溶金属时袁 内件就只能焊接在复层上袁 这使得焊接结构的受力变得尤为复杂咱1-8暂遥目前袁 针对这类复合板设备进行的受力研究主要在复层参与的强度计算方面咱9-12暂袁设备内件第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.2023的设计则主要是考虑内件的支撑载荷遥其中袁通过计算剪切力进行的焊脚设计和研究袁 在很多情况下并没有详细考虑设备内压的影响咱13-14暂遥 这种内件承载计算不考虑内压影响的计算方法是否安全是值得深入研究的袁比如袁很多高压反应器袁在运行阶段袁 设备的总体薄膜应力被控制在 0.67 倍基层材料屈服强度以下袁会不会存在这样的情况袁即在这个应力水平下复层的应力已经超过其屈服值而失去进一步承载内件载荷的能力遥 或者另一种情况袁即复层没有屈服袁但复层由于内压作用而产生的薄膜应力影响了其上焊接内件的外部承载能力遥带着上述问题袁文中对焊接在复合板复层上的内件进行受力分析袁 评价内件在同时承受内压和外载荷条件下的承载能力袁 并将之与无内压情况进行对比分析袁总结其受力特点和作用原理遥1复合板与内件焊接结构有限元模型1.1几何模型复合板与内件焊接结构有限元分析几何模型涉及的压力容器内径为 4 000 mm袁 复合板基层厚度为 40 mm袁复合板复层厚度为 4 mm袁内件厚度为10 mm袁内件宽度为 150 mm遥 内件与复层焊角打磨圆角半径为 10 mm遥 容器基层材料为 SA-533 ACL2,复层及内件材料为 SA-240 316L遥 容器设计温度为 250 袁此温度条件下 2 种材料的基本属性参数见表 1遥表 1容器与内件材料基本属性参数参数弹性模量/MPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPaSA-533 A CL21.79伊105621418SA-240 316L1.87伊1051144261.2有限元模型及网格划分应用 ANSYS 软件进行分析遥复合板筒体结构具有对称性袁建立轴对称模型并进行模型网格划分遥 模型中袁复层划分为 3 层网格袁基层划分为 8层网格袁内件厚度方向 7 层网格遥有限元模型及网格划分见图 1遥2内件受力理论基础及分析条件2.1理论基础本文主要的研究重点是复合板复层上内件在承受内压和外载荷共同作用下的受力特点遥 大多数情况下袁内件与复层焊接会产生明显的局部位图 1 复合板内件模型及网格图置塑性变形袁 此时运用线弹性理论进行分析已经无法准确模拟其受力特点袁 需要采用弹塑性理论进行分析咱15暂遥弹塑性分析又分为理想弹塑性分析和真实弹塑性分析袁 其最大的区别在于真实弹塑性分析需要提供材料的真实应力-应变曲线袁而理想弹塑性分析仅需要弹性模量和屈服强度参数遥 相比于真实弹塑性分析袁 理想弹塑性分析既能充分考虑材料进入屈服后的应力重分布袁 又能解决大部分材料无法提供真实应力-应变曲线的问题袁因此本文采用理想弹塑性分析进行计算遥2.2分析条件内件受力分析分为 2 步进行袁 第一步为静态分析袁即将外部载荷设置为一个确定的值袁考察内压变化对内件受力的影响袁 内压变动范围设定为09 MPa遥 第二步为动态分析袁在第一步的基础上添加外部载荷变化袁 外部载荷 p 随时间 t 的变化关系式见式渊1冤遥p=0.3+0.01t(1)式中院p 为内件端部竖直外载荷的数值袁 单位MPa曰t 为加载时间的数值袁单位 s遥3内件受力计算结果及原因分析3.1静态载荷分析3.1.1应力分布按照所定分析条件进行的有限元模拟分析结果表明袁在设备内压和竖直载荷的共同作用下袁复合板复层在较高内压下达到了整体屈服袁 而且最大应力维持在材料屈服强度不再增加袁 而基层材料始终处于弹性状态遥 其中袁内压 8 MPa尧竖直载荷 0.65 MPa 条件下袁复合板及内件焊接结构应力分布云图见图 2遥第 5 期李小虎院复合板压力容器内件受力有限元分析49窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备0.10.30.20.2171.1120.4940.1930.4641.0720.1640.170.4460.4651.0821.1170.1580.4281.0180.1510.1470.4030.3850.9310.8770.1440.3720.8340.1430.3620.7990.1430.3550.769外载荷增量/MPa筒体内压/MPa0123456789图 2复合板及内件焊接结构应力分布云图3.1.2应变分布图 2 中复合板及内件焊接结构对应的应变分布云图见图 3遥 从图 3 可以看出袁由于竖直载荷的作用袁内件发生了向下的偏移袁且在连接根部区域出现了较大塑性变形渊1.185%冤遥图 3 复合板及内件塑性应变云图3.2 动态载荷分析3.2.1模拟结果在将外部载荷随时间发生的动态变化 渊时间每增加 1 s袁竖直载荷增加 0.01 MPa冤纳入考虑的情况下袁 考察不同内压条件下内件竖直位移随时间的变化情况袁结果见图 4遥 由于计算时间内位移跨度较大袁 因此采用了对数位移图对加载前期的位移特点进行详细表示遥图 4 支撑件顶部位移对数图评价内支撑件的承载能力是以它在相同载荷条件下的位移大小来判断的袁 基于此可以将图 4的 09 MPa 内压加载位移曲线按照时间和位移划分为 3 个特征阶段袁弹性阶段渊030 s冤遥 屈服加速阶段渊3040 s冤遥 位移趋同阶段渊4050 s冤遥3.2.2弹性阶段以从图 4 提取的部分数据渊表 2冤为例进行内件承载能力的分析遥 由表 2可以知道袁在内件竖直载荷增加 0.1 MPa 条件下袁0 MPa 内压时内件端部表 2不同外载荷增量和不同筒体内压条件下内件端部位移增量mm位移增加了 0.217 mm袁9 MPa 时端部位移仅增加0.143 mm曰在内件竖直载荷增加 0.3 MPa 条件下袁0 MPa内 压 时 内 件 端 部 位 移 增 加 了 1.112 mm袁9 MPa 时端部位移仅增加 0.769 mm遥 总之袁弹性阶段主要有 2 个特点袁压力越低位移越小袁即压力越低承载能力越好遥随着竖直载荷的逐渐增加袁压力越低位移增幅越来越大袁 低压高承载能力的特性越来越不明显遥3.2.3屈服加速阶段以图 4 中 0 MPa 内压曲线为例进行内支撑件承载能力的分析袁 可以看出袁 材料进入屈服后袁0.01 MPa 的载荷增幅就会使位移显著增加 渊由2.47 mm 增至 7.073 mm冤袁 但随着筒体内压的提高袁 这种屈服加速现象逐渐减弱遥 材料发生屈服时0.01 MPa 载荷增量下内件端部位移情况见表 3遥从表 3 可以知道袁 内压 0 MPa 下位移增量为4.603 mm袁内压 9 MPa 下位移增量仅为 0.261 mm遥同时袁在此阶段袁内件位移量出现反转袁逐渐变成内压越高位移越小袁 最大位移出现在 0 MPa 内压工况下袁内压 0 MPa 和 0.64 MPa 竖直载荷时的总50窑窑第 5 期李小虎院复合板压力容器内件受力有限元分析表 3材料发生屈服时 0.01 MPa 载荷增量下内件端部位移mm位移为 10.257 mm袁内压 3 MPa 及 0.64 MPa 竖直载荷时的总位移仅为 4.088 mm袁 两者相差 1.5倍以上遥 总之袁在屈服加速阶段袁内件根部发生屈服袁且随着竖直载荷进一步增加袁屈服位移出现加速遥3.2.4位移趋同阶段以内件承受 1 MPa 坚直外载荷时产生的坚直位移为例进行内支撑件承载能力的分析袁模拟在内压 09 MPa 下内件产生的的竖直位移袁所得结果几乎均大约为 68 mm遥 总之袁在位移趋同阶段袁竖直方向外载荷进一步增加袁内压引起的强化承载效果逐渐减弱遥3.3原因分析3.3.1概论内件在端部竖直外载荷及内压作用下的变化规律主要由以下 3 个方面决定袁 内件根部区域截面上屈服区的占比率遥 更大的屈服区占比率意味着弹性区域的进一步减少袁 为了承载相同的负载增量袁需要更大的变形来实现遥筒体承压会产生表面拉力袁 这对内件承受竖直载荷而产生的下沉弯矩具有一定的抵抗作用遥 由于复合板基层的存在袁即使在内件屈服后袁基层仍然能够起到一定的支撑作用遥基于此袁内件承压条件下的表现需要分情况进行具体分析遥3.3.2情况 1情况 1 为不承受内压的情况袁 对应的内件受力分析示意图见图 5遥 当图 5 中的内件承受向下的坚直外载荷时袁 会在内件根部形成一个上方受拉尧下方受压的线性应力梯度渊图 6冤袁当图 5 中的内件承受的向下外载荷变大时袁 图 6 的应力梯度会逐渐变大袁然后在表面首先形成屈服区域袁并向中间扩展袁最后整个厚度截面达到屈服渊图 7冤遥 图5 中袁F 为内件端部载荷袁A-A 为截面位置遥 图 6尧图 7 中袁Sy为材料屈服限袁H 为内件截面沿厚度坐标渊从下至上冤袁S 为应力遥图 5 非受压内件受力分析示图图 6 未达到屈服时截面应力示图图 7 达到屈服时截面应力示图3.3.3情况 2情况 2 为承受内压的情况袁 对应的内件受力分析示意图见图 8遥 图 8 中内件的根部会存在一个由内压引起的预紧力渊图 9冤袁这时再增加竖直外载荷袁 内件根部顶层会首先因为内压和弯矩的屈服前位移屈服前后位移增量屈服后位移2.4704.6037.0732.6235.8203.1972.8173.0634.0653.9041.2480.8413.2323.9730.7413.4313.6304.0324.0660.6010.4364.2174.5730.3565.5305.7910.2615.9876.2480.261位移筒体内压/MPa012345678951窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备应力叠加而达到屈服袁 此屈服还会由于底部 2 种应力方向相反而延迟出现渊图 10冤袁这是受内压和非受内压最主要的区别遥 因此袁在初始阶段袁对于非受压筒体而言袁竖直外载荷较小袁内件根部仍然处于弹性状态袁所以位移值最小遥而对于受压情况下的内件而言袁 顶部存在的应力叠加使之更容易到达屈服袁因此初始位移较大遥 图 8 中袁p 为筒体内压遥 图 9 和图 10 中袁S1为纯内压下应力袁S2为截面底部应力遥图 8受压内件受力分析示图图 9内压预紧初始截面应力图图 10顶部表面屈服时截面应力图3.3.4情况 3情况 3 为袁 内件随着内压的提高表现的屈服特点越来越不明显情况遥 对于未受内压的内件而言袁在整个截面到达屈服后袁位移由于失去进一步承载能力而迅速扩大袁 这符合理想弹塑性材料的特点遥但随着内压提高袁这种屈服特点会越来越不明显袁 图 4 中以内压 8 MPa 为特征的曲线就是这种情况的典型例子遥这是因为随着内压的提高袁内件与筒体连接的部分在仅承受内压的条件下已经随着复合板复层一起屈服了袁 因此并不存在显著的再次屈服特性遥 这种情况下袁 Mises 应力几乎不变袁一直为材料的屈服值袁仅三向应力的数值发生变化袁见图 11遥图 11支撑件根部三向应力及 Mises 组合应力图3.3.5情况 4情况 4 为袁初始内压已经导致了复层屈服袁此时提供支撑的部分转移到了复合板基层上袁 由于基层仍然处于弹性状态袁 因此可以对内件起到支撑作用遥工程上大多数复合板复层都很薄袁因此这种支撑作用很明显遥对于承受较高压力渊导致复层屈服的情况冤的内件袁在整个受力过程中存在 2 个阶段袁 第一阶段通过三向应力的调整来达到抵抗竖直载荷袁该阶段理论上限与常压状态几乎一样遥当载荷进一步增加时需要依靠复合板基层支撑袁该阶段位移已经很大袁 支撑内件因而基本失去了原有功能袁因此进一步分析的意义不大遥4结束语通过有限元建模和数值分析袁 对内压和竖直载荷作用下的复合板设备内件的受力特点进行了总结袁得到 3 个结论袁在竖直载荷未引起常压容器内支撑部件发生显著屈服前 渊低载荷阶段冤袁增加内压会提高支撑部件的位移值袁 而且压力越高位移就越大袁即内压作用偏负面遥对于常压条件下可以计算通过的支撑件袁 只要内压的增加尚未导致复合板基层屈服袁 就可以认为内压和竖直载荷的共同作用不会导致结构大变形而被破坏遥 如果内件要求的装配精密度更高袁 建议根据实际结构情况袁 采用可以考虑塑性变形的分析设计方法来详细设计遥 对于结构完全相同的支撑件和设备筒体袁 内压的增加并不会导致支撑部件最大承载能力降低遥相反袁高内压情况下支撑件的显著屈52窑窑内嵌 SiC-He 螺旋管热交换器的三氯化铝反应炉散热特性研究李佳豪袁 虞斌袁 田一皓袁 江超渊南京工业大学 机械与动力工程学院袁 江苏 南京211816冤摘要院 为解决三氯化铝反应炉炉内高温及余热积累问题袁 提出一种新型内嵌式 SiC-He 螺旋管热交换器结构袁 利用 Fluent 软件在恒定热源下对换热管中流动换热进行数值模拟袁 采用正交试验和极差分析的方法研究管径尧 螺距及横向管间距等对管内流动换热特性和反应炉散热特性的影响遥 试验结果表明袁 管径对管内流动换热特性影响最大袁 螺距影响最小袁 随着横向管间距的增大袁 炉内温度分布由对称逐渐趋向均匀遥 最优参数组合为管径 70 mm尧 螺距 100 mm尧 横向管间距 1 600 mm遥关键词院 反应炉曰 换热结构曰 散热特性曰 数值模拟曰 正交试验中图分类号院 TQ051.5文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.009服阶段更不明显且位移更小袁更平稳遥参考文献院咱1暂 寿比南.压力容器技术进展咱C暂/中国机械工程学会压力容器分会,合肥通用机械研究院.压力容器先进技术要要要第七届全国压力容器学术会议论文集.北京院化学工业出版社,2009:85-90.咱2暂 陈盛秒.不锈钢复合板压力容器设计制造技术探讨咱J暂.石油化工设备技术,2010,31(6):29-32袁24.咱3暂 陈襄颐,郑宝山.大型钛钢复合板压力容器的设计咱J暂.化工设备与管道,2010,47(4):1-3袁12.咱4暂 中国石化设备管理协会.石油化工装置设备腐蚀与防护手册咱M暂.北京院中国石化出版社,2001.咱5暂 杨旋,史长根,葛雨珩,等.压力容器用钛-钢复合板的三种制造工艺咱J暂.压力容器,2016,33(12):64-70.咱6暂 杨美昆.镍基合金复合板醋酸塔的制造技术咱J暂.化工设备与管道,2018,55(1):30-34.咱7暂 许伟峰,王珂,刘遵超,等.钛-钢复合管板应力的有限元分析咱J暂.压力容器,2015,32(10):23-29袁36.咱8暂 李桓,罗永智,王治刚,等.钛-钢复合板制压力容器设计概述咱J暂.化工机械,2020,47(2):148-150袁168.咱9暂 Y H Wei,Z B Dong,B Liu袁et al.Stress distributions ofwelding joints in titanium-steel composite pressurevessel under working conditions 咱J暂.Science and tech鄄nology of welding and joining袁2011袁16(8)院709-716.咱10暂 F A Soul袁Y H Zhang.Numerical study on stress in鄄duced cambering distortion and its mitigation inwelded titanium alloy sheet 咱J暂.Science and technol鄄ogy of welding and joining袁2006袁11(6)院688693.咱11暂 吴莉,刘国新.甲基叔丁基醚脱硫装置中塔填料支承件设计咱J暂.石油化工设备,2016,45(3):51-54.咱12暂 K BaskarN袁 E Shanmugam袁V Thevendran.Finite-element analysis of steel-concrete composite plategirder 咱J暂.Journal of structural engineering,2002袁128(7/9):1158-1168.咱13暂 唐丽袁王金刚袁赵骞.加氢反应器内构件支撑凸台厚度的计算咱J暂.广州化工袁2013,41(15):209-210.咱14暂 陈默.加氢反应器内部支撑结构设计及应力计算咱J暂.石油化工设备,2017,46(3):26-30.咱15暂 Azad Mohammed.Elastic and plastic stress analysis ofcomposite beams under distributed load 咱C暂/Me鄄chanical and Aerospace Engineering.InternationalConference on Mechanical and Aerospace Engineer鄄ing(ICMAE 2012).Paris:Mechanical and AerospaceEngineering,2012院61-65.渊柏编冤文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0053谣07收稿日期院 2023-05-04作者简介院 李佳豪（1998-），男，河北保定人，在读硕士研究生，研究方向为新型高效传热传质设备。E-mail：。第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.2023