超高压水晶釜体外壁盲孔部位有限元应力分析

超高压水晶釜釜体外壁盲孔部位有限元应力分析

夏锋社¹　淡　勇²

（1陕西省锅炉压力容器检验所，2西北大学化工学院）

1　前　言

在容器的定期检验中，经常遇到在役压力容器中含有与原设计图纸不符的结构。如果不加以合理的分析，简单的不允许这些结构的存在，就会造成不必要的返修，甚至有可能将合乎使用要求的设备判废，更为严重的是，若结构返修不当，反而会增加新的潜在危险。只有对与原设计图纸不符的结构进行合理的分析、科学的评定，才能既保证在役压力容器的安全使用，又可获得较好的经济性。

用户为了监控反应釜的操作温度，在超高压水晶釜釜体外壁面上钻了一个φ6×14.75 mm的盲孔，以便安装测温装置。釜体外壁面盲孔的出现，违反了原设计要求，因此，对反应釜的安全性提出了疑问。本文采用有限元的方法对盲孔部位进行了详细的应力计算，旨在判断该反应釜能否安全运行。

图1　釜体上盲孔的结构

2　基本参数

该超高压水晶釜釜体，由PCrNi3M₀VA钢材锻造、机械加工而成，实测其内、外直径分别为φ250.13mm和φ435.45mm；设计压力为151MPa，工作压力137MPa；设计温度400℃，工作温度380℃；釜体外部非火焰加热，釜体材质机械性能测试结果见表1。

表1　PCrNi3M₀VA机械性能

3　有限元计算

3.1　计算模型的建立

釜体在内压作用下，属于轴对称结构。由于盲孔的存在且尺寸较小，故计算模型取釜体的四分之一结构，如图2所示。

边界条件的处理：由于对称性，在XOY面和YOZ面分别给定Z方向和X方向位移为零的约束，为防止刚体位移，在模型右端给定Y方向位移为零的约束；在模型内壁面施压均布压力P₁＝151MPa，在模型左端面施加的均布拉力P₂＝74.74MPa。P₂的确定由Lame方程确定如下：

式中：P为设计压力，取151MPa；K为径比，经计算为1.74。由于该设备采用外加热有保温，且在轴向设备一端自由无约束，所以不计温度应力。

本文计算采用中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17个部委推广使用的ANSYS 5.7分析程序。整个计算共用了11 888个四面体单元，18 268个节点，网格划分如图3所示。(www.xing528.com)

图2　有限元计算模型

图3　孔周围局部网格图

图4　盲孔部位的应力场

图5　釜体外壁盲孔周围应力分布

图6　XOY剖面沿1，2，4线应力分布

图7　XOZ剖面沿1，2，3线应力分布

3.2　计算结果和分析

根据计算结果，釜体上盲孔部位的应力场及沿主要剖面的应力分布情况如图4、图5、图6、图7所示。

从应力分布图可见，最大应力出现在釜体内壁面，其值为389.34MPa，而孔边缘处最大应力出现在4号点（图6）处，最大值为282.82MPa，相对无盲孔时基本应力（128.72MPa），具有2.2应力集中系数，其余点应力较小。

4　结束语

有限元计算结果表明，带有盲孔的釜体，在设计压力作用下，其最大当量应力发生在釜体内壁面，而不在盲孔周围，尽管孔外缘有2.2的应力集中系数。因此，超高水晶釜釜体上该盲孔的出现，不会影响到该设备的安全运行，但应在使用中加强管理和监控，进行定期检验。

（注：该论文发表于《中国特种设备安全》2007年第1期）