外力矩作用下周向斜接管容器强度性能的研究

摘要

压力容器周向非正交开孔接管形式广泛应用于石油化工、动力、能源等各工业部门。由于其结构的特殊性，使得较小的开孔接管也易成为大开孔率的结构并加剧简体的几何不连续性，从而引起开孔区域的应力集中，在结构的截交区域造成局部高应力，这将严重影响结构的承载能力，使该区域很有可能成为最薄弱的部位。因此对周向斜接管部位进行较为详细的应力分析是确保该类压力容器安全运行必不可少的内容。迄今为止，各国学者对压力容器及管道正交接管问题进行了大量的研究。而对于具有周向斜接管结构的研究则较少，为了获得周向斜接管结构在横向弯矩作用下的应力分布规律、变形特征及塑性极限载荷等，对其进行全面的研究是十分必要的。
　　 本文以试验和有限元分析方法入手对周向斜接管结构在横向弯矩作用下的强度性能进行了研究，主要工作如下：
　　 (1)在不同的接管横向弯矩作用下，对相同结构尺寸，不同周向夹角的容器进行试验研究，采用电测法测量不同载荷下模型关键部位的应变值、弹性应力分布规律、变形特征；测量模型接管不同部位的位移值，绘制出模型的载荷-应变、载荷-位移曲线，由两倍弹性斜率准则得到模型的极限载荷；
　　 (2)采用ANSYS仿真软件，建立与试验模型相同结构参数的容器模型并进行三维弹-塑性有限元分析，获得与上述试验相应的分析结果；
　　 (3)从弹性应力、极限载荷、接管变形三个方面对试验结果和有限元计算结果进行对比分析；
　　 (4)在此基础上建立具有不同d/D、t/T和D/T值的周向斜接管结构模型，计算在横向弯矩作用下模型的塑性极限载荷，通过回归分析得到极限载荷的经验公式，并进行验证和工程应用。
　　 通过上述诸方面的研究得出的结论如下：
　　 正交接管(β=O°)容器的应力比SR值最大，表明具有相同结构尺寸的模型，在相同接管横向弯矩作用下，正交接管容器应力集中最明显，接管在载荷方向上的位移数值较大，变形显著；具有切向斜接管(如β=±53°)的容器，应力集中则最小，接管在载荷方向上的位移数值最小。
　　 五台容器的最大应力均出现在横向截面内接管与容器截交处锐角侧靠近焊缝的位置上，在横向截面内接管主要承受轴向应力σφ，而简体主要承受周向应力σθ；接管和筒体的塑性屈服起始于结构截交区锐角侧靠近焊缝处，塑性扩展是从接管根部沿接管轴向和筒体周向扩展的。
　　 正交接管结构(β=O°)的极限载荷最小，切向斜接管结构(β=±53°)的极限载荷最大；周向斜接管结构(β=±25°)的极限载荷介于两者之间；结构的极限载荷随着周向夹角β数值的增加逐渐增大；采用载荷-应变曲线和载荷-位移曲线均可得到模型的极限弯矩，但是载荷-位移法比较简单，可以避免危险点转移的问题，可以由载荷-位移曲线直接获得结构的极限弯矩。
　　 通过分析和验证，参数化分析得到的周向斜接管横向弯矩作用下极限载荷的经验公式是可靠的，可用于工程计算。