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内压圆筒开孔接管长度对有限元计算结果的影响

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  • 发布时间:2014-09-12
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在石油化工领域,圆柱简体开孔接管结构是压力容器和管道系统较常用的结构之-,通常在简体与接管的连接部位会产生应力集中,从而使· 20 ·得开孔接管部位成为容器失效的源头。美国焊接研究委员会公报WRC 107 及WRC 297 提出了由外载荷引起局部应力的计算方法,但是WRC 107不能反映接管壁厚变化对应力的影响,而WRC 297又过于保守5 J。为精确求解,目前通常采用有限元方法对开孔接管区进行应力分析,CPVT 内压圆筒开孔接管长度对有限元计算结果的影响 Vo130.No3 2013应力稳定时 SⅡ约为 142.5 MPa,SⅣ约为 192.5MPa,考虑到工程允许误差-般为 5%,因此考虑5%误差后,工程计算 sⅡ为 149.6 MPa,SⅣ为202.1 MPa,将这两个应力值分别代入图5(a)中进行查表,可以看出其接管长度分别约为8.4/m和9.4 ,该长度远大于 2.5 。

为进-步研究接管直径、接管厚度以及简体直径、筒体壁厚对以上结果的影响,在第-组结构的基础上分别改变接管直径(d选取 1000 mm)、接管壁厚(t选取26 mm)、筒体直径(D选取 1200mm)、简体壁厚( 选取20 mm)进行计算,分别编号第二组,第三组,第四组,第五组,详细尺寸见表2。对每-组模型的接管长度进行改变,分别计算,获得局部薄膜应力.sⅡ和-次应力 二次应力5Ⅳ,将路径 1所得结果进行绘图整理,获得应力强度与接管长度的变化趋势,如图6~9所示,图中横坐标设置为接管长度与其相应 的倍数,纵坐标为应力强度。

表 1 第-组结构计算结果路径 1 路径2 路径3接管长度l/mmSⅡ/MPa Sly/MPa JsⅡ/MPa .sⅣ/MPa SⅡ/blPa Sly/MPalo0 192.1 251.5 149.9 174.5 175.9 217.9200 l81.5 233.7 146.8 169.1 165.8 201.1300 l72.2 225.7 145.4 161.7 156.4 188.44oo l63.1 218.9 145.3 164.4 147.9 181.45oo 157.0 212.7 145.7 177.4 142.6 179.86oo 153.1 207.6 146.1 187.1 139.5 178.770o 150.3 203.6 146.2 193.6 137.4 177.6800 148.2 200.6 146.1 197.8 135.9 176.7900 146.6 198.3 146.0 200.5 134.8 l75.8100o 145.4 196.6 145.8 202.2 133.9 175.1l100 144.6 195.4 145.5 203.2 133.3 174.51200 143.9 194.4 145.3 203.8 132.8 174.11300 143.4 193.7 145.1 204.1 132.4 173.71400 143.0 193.1 14 .9 204.2 132.1 l73.4l500 142.8 192.7 144.8 204.3 l31.9 173.11600 142.6 192.4 144.7 204.3 l31.7 172.9280篓zo0l20O毫警l8010 2O 0接管长度/v/j(a) 不同接管长度,路径 1局部薄膜应力 SⅡ和-次应力 二次应力SⅣl0 20接管长度,(b) 不同接管长度,路径 2局部薄膜应力 SⅡ和-次应力 二次应力 SⅣ ,第30卷第3期22017012O0 l0 20接管长度/压 力 容 器(c) 不同接管长度,路径 3局部薄膜应力 SⅡ和-次应力 二次应力SⅣ图5 第-组结构结果评定2OO表 2 模型分组O lO接管长度,图6 第二组结构路径 1结果评定2 结果分析及讨论(1)从以上四组结果可以看出,每组模型所评路径局部薄膜应力 JsⅡ和-次应力 二次应力总第 244期sⅣ随接管长度的变化趋势都与第-组完全相似。

分别取出这四组应力趋于稳定时的sⅡ和JsⅣ,再考虑5%的工程误差,根据计算出的应力值在图中查找其对应的接管长度,整理数据如表3所示。

18O2OOl50l0O0 8 16接管长度,图7 第三组结构路径 1结果评定OOlO 20接管长度,图8 第四组结构路径 I结果评定lO 20接管长度图9 第五组结构路径 1结果评定· 23·兰 骰W/毯骥昌、 晒简体长度 筒体直径 筒体壁厚 接管直径 接管壁厚 序号L/mill D,miD 1"/nln d/mm t/mil第-组 4咖 20oO 28 600 2O第二组 2O00 28 lO00 20第三组 ∞O 200o 28 60o 26第四组 4O0o 120o 28 600 2O第五组 4咖 2000 20 600 20O Bd暑、 骥O O Bd W/越骥CPVT 内压圆筒开孔接管长度对有限元计算结果的影响 VoB0.No3 2013表 3 结果分析稳定时应力 稳定时应力 5%误差时应力 5%误差时应力 5%误差时 SⅡ对应 5%误差时 sⅣ对应 序号SⅡ/MPa .sⅣ/MPa .sⅡ/MPa JsⅣ/MPa 接管长度/, 接管长度/第-组 142.5 192.5 149.6 202.1 8.4 9.4第二组 197.5 258.5 207.4 271.4 6.3 6.9第三组 124.5 172.5 130.7 181.1 7.9 7.7第四组 100 136 105 142.8 l0.2 10.7第五组 194 257.5 203.7 270.4 9.4 9.2(2)从表3可以看出,对于第二组模型,应力强度.sⅡ在接管大于6.3 后趋于稳定,.sⅣ在接管长度大于 6.9 后趋于稳定;对于第三组模型,应力强度 sⅡ在接管大于 7.9 后趋于稳定,JsⅣ在接管长度大于7.7/ 后趋于稳定;对于第四组模型,应力强度sⅡ在接管大于10.2后趋于稳定,sⅣ在接管长度大于 1O.7/ 后趋于稳定;对于第五组模型,应力强度 JsⅡ在接管大于9.4/ 后趋于稳定,sⅣ在接管长度大于9.2/胁后趋于稳定∩见,筒体壁厚与筒体直径都会影响连接处应力稳定所需要的接管长度。

从表中五组数据都可以看出,筒体与接管连接处应力稳定所需接管长度均远大于2.5 。

(3)对于受边缘力和力矩作用的圆柱壳,离边缘的距离大于 2.5 时纵向弯矩衰减了95.7% 引。 但是对于开孔接管模型,由于其结构及载荷不同,工程上应根据具体模型和载荷情况进行分析。

3 结语分五组共计 84个模型,对不同接管直径、壁厚,不同筒体直径、壁厚条件下内压圆筒上接管长度对有限元计算结果的影响进行分析,结果表明接管长度选取对应力结果有很大影响,且有限元计算的模型选取上,接管长度需远大于2.5时应力才会稳定,接管选认短时将会使计算过于保守。

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