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1、拉拔接管集箱有限元分析及应力测试蔡钢思厉青任欣高增梁( 浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州3 1 0 0 3 2 )摘薹：本文对某一种新型拉拔接管集箱进行了有限元分析计算和常温液压作用下集箱壳体应力和应变的测试，计算结果与现场试验结果进行了比较。结果表明拉拔接管集箱满足了结构的强度要求，采用F E A 进行设计计算是合理可靠的，也是符合实际的。为新型拉拔接管集箱的推广提供了依据。关键词：拉拔接管；有限元；应力评定；应力测试T h eF i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sa n dM e a s u r e m e n to fS t r e s s
2、i naD r a w i n gT u b eH e a d e rC A IG a n g s iL IQ i n gR E NX i nG A OZ e n g l j a J l g( I n s t i t u t eo fP r o c e s sE q u i p m e n ta n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H a n g z h o u3 1 0 0 3 2 ，C h i n a )A b s t r a c t
3、 ：F E Aa n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n to fs t r e s sb ym e a l l So fs t r a i ng a g ea r ec a r r i e do u ti nan e wk i n do fd r a w i n gt u b eh e a d e r T h er e s u h so fF E Ac a l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n ta l ec o m p a r e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e
4、n e wk i n do fd r a w i n gt u b eh e a d e rm e e tw i t ht h es t r e n g t h sr e q u i r e m e n t F E Ai sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i b l ef o rd e s i g nc a l c u l a t i o no fn e ws t r u c t u r e s K e yw o r d s ：d r a w i n gt u b eh e a d e r ；F E A ；s t r e s sa s s e s s m e
5、 n t ；s t r e s sm e a s u r e m e n t1 前育2 新型拉拔接管集箱结构及特点加热管集箱是石油、化工行业压力容器中的重要元件，其安全性不容忽视。目前，集箱接管与加热管的连接大多采用整体焊接结构，但是这种焊接接管口的角焊缝部位局部应力很大，又不易无损检验。在集箱接管与加热管的角焊接部位容易存在大量的夹渣、气孔、未焊透、收头弧坑等缺陷，少文献中已报道了一些加热管集箱失效例子”4 1 。因此，角焊缝、焊接接头成为整个集箱的一个薄弱环节。为了克服这些问题，开发了一种拉拔接管集箱结构。但是目前这种结构还没有完全定型，并且还缺乏一种统一的设计计算方法。现对某厂开发的一种
6、新型拉拔接管集箱结构进行有限元分析计算及应力测试，分析该集箱结构的应力分布，为其结构的工程推广提供依据。开发设计的新型拉拔接管集箱结构如图1 所示，因拉拔接管集箱采取热冲压成型制造，在集箱主体和接管连接处形成了光滑的过渡拐角面，这与以往的制造工艺具有明显的区别，通过冲压成型的接管可以很方便地外接需要的管道。连接焊缝变为对接焊缝，可以对其焊缝处进行方便的探伤和检验。给工程应用带来了方便。图l 集箱的结构尺寸图3 3 l 所测试和分析的集箱结构主要参数如下：集箱外径击3 2 3 8m m ，壁厚2 1 4 4m m ，端盖厚度咖3 8 1m i l l ，加热管外径母5 7 2m m ，加热管内径
7、4 1 8m m 。设计压力：2 2M P a ，液压试验压力：4 3M P a设计温度：5 5 7 ，液压试验温度：2 0 集箱结构材料：S A 3 3 5 一P 9 13 有限元分析3 1 有限元模拟集箱具有密集的开孔区，理论分析比较困难，难于精确计算其应力。采用有限元数值分析计算可以较方便地得到这些局部的应力分布状况，本文采用有限元软件A N S Y S 进行数值分析计算。计算中，对该结构作了如下简化处理：( 1 ) 为了考察各接管口之间和第一个接管口与集箱管端盖联结处的影响，在有限元分析建模中取了集箱管端盖附近的三个加热管接管口进行建模。( 2 ) 为了避免集箱的第三个接管处端面约束的
8、影响，因此在整个模型的末端设置了一段长度为5 0 0m m 的圆柱壳。( 3 ) 为了精确计算拐角处的应力，建立了内外圆角半径的加密单元模型。根据结构承受内压载荷的要求，计算模型采用 8 节点的S O L I D 4 5 单元，划分的网格见图2 ，共生成节点数为1 9 9 5 3 个，单元数为7 3 7 5 4 个。3 2 有限元计算结果经有限元分析计算，得到了拉拔接管集箱在热启动工况( 即为操作工况) 下的主体应力和局部区域的应力集中。集箱及端盖结构的应力分布如图3 ，4 所示。其集箱主体应力、集箱和接管拐角处的最大应力和端盖内拐角处的摄大应力如表1 。隶1 各应力区的应力集箱主体集箱和接管
9、拐角处端盖内内表面外表面内拐角外拐角拐角处应力S I N T1 6 一1 81 2 1 45 2 6 62 56 23 4 9 9 M P a由图3 、4 可知，在拐角处存在局部高应力区，出现了应力集中。而在远离接管区的集箱主体和接管主体上则保持了正常的应力状态。差图3 剖分结构的s ，胛云图图4 端盖结构的s ，胛云图3 3 有限元结果分析集箱主体应力属一次薄膜应力，即巳，作用于图2 集箱的有限元网格图集箱的主体部位，在G B q 9 2 2 2 1 9 8 8 标准中列 内压加载在模型的内表面，包括简体，端盖，接为主体应力区应力，其应力极限为材料在不同壁温 管的全部内表面。结构的约束在圆筒
10、另一端全部端条件下的许用应力。根据理论分析和有限元计算结 面= o ，取其中两点= u r = o 。果，见表2 。结果表明集箱低应力区中的应力均小 材料的性能参数，包括弹性模量，泊松比等，均于该结构在设计温度条件下的许用应力，符合G B 根据A S M E ”1 标准查出并按温度的变化输入。T 9 2 2 2 1 9 8 8 标准的要求，结构安全。3 3 2 襄2 集箱主体应力( 低应力区) 评定有限元计算得应理论计算得许用应力安全性 部件位置力强度S T 町M P 且应力强度M P aM P a评定内壁5 8 6 05 91 41 1 72安全外壁3 8 4 03 9 1 81 1 72安
11、全根据有限元分析结果表明在操作工况的内压作用下，它们的拉拔管接管内拐角处或集箱管与平盖连接的内拐角出存在较大的高应力区而这类元件结构的不连续部位在内压作用下为满足变形协调条件产生的应力属二次应力范围。根据G B T 9 2 2 2 1 9 8 8 标准的要求，它的应力强度极限为集箱管设计壁温的3 口 。根据表1 ，高应力区其最大值都小于相应壁温时三倍许用应力，即 3 ， ，结果表明这些结构均在许用值以内。4 试验结果验证通过集箱管在常温液压作用下壳体应力和应变的测试和分析，进一步掌握了集箱管壳体外部应力分布和壳体变形的状况。 4 1 试验方案本次应力测试选择了1 4 个测点位置，为了确保测试数
12、据有效，除二个点外，在管箱和接管的正常部位及拉拔接管外拐角处各测量位置均布置了两个测点，其中在拉拨接管外拐角处，5 个测点用了0 0 、4 5 。、9 0 。三向应变花，其余均为双向应变片，共计有“个测量值。测点位置与有限元计算的节点基本一致。双向应变片的型号为B X l 2 0 2 B A ，应变片面积为2 1m m 2 ，电阻值为1 2 0 0 2 n ，灵敏系数为2 0 8 1 ；三向应变花的型号为B X l 2 0 2 C A ，面积为2 1m m 2 ，电阻值也为1 2 0 0 2n ，灵敏系数为2 0 8 1 。应变片采用1 4 桥、公共补偿法。在一块与集箱管材料相近的钢板上粘贴了
13、温度补偿片，对温度进行补偿。所有应变片均采用5 0 2 胶水粘贴。采用7 0 3 胶对应变片进行防油、防水和绝缘保护。第一次按0 1 0 2 2 一5M P a 顺序加载，测定各级压力下测点的应变值，按4 5 2 一l 加M P a顺序卸载，测定各级压力下测点的应变值；第二次按 0 越蚪3M P a 顺序加载，测定各级压力下测点的应变值，将压力卸载到0M P a 。4 2 应力测试结果测量结果表明，应变测量值与内压加载保持良好的线性。为了使测量结果更符合实际的受力情况，将相同测点位置的二个测量值取平均值计算该测点位置的应变量。在水压试验压力为4 3M P a 条件下，集箱与接管正常部位外表面的
14、理论应力与实测应力结果如表3 所示。表3 模拟试件正常部位的理论应力与实测应力 、垃置管箱管外表面接管外表面麝力、轴向周向轴向周向理论值M n6 6 91 33 91 00 52 00 9实测值M P a7 8 21 47 49 0 61 9 2 9在水压试验压力2 2M P a 条件下，共取得1 2 点有效实测应力，拉拔接管外拐角处的有限元计算应力与实测应力的相应分布曲线见图5 。忡 l乒 4 2M P a i3 0 I 户j芦2 0 桫1 02 。7 繁：警妒銎图5 集箱计算值与实测值对比曲线图4 ，3 试验结果分析由表3 可以看出集箱管正常部位外壁应力实测结果和计算应力基本一致。由图5
15、可以看出，拉拨口接管附近的应力分布趋势、最大应力值及相应位置的实测值和有限元计算结果也基本一致。实测结果表明，有限元计算结果是合理可信的。5 结论从新型拉拔接管集箱有限元分析及应力测试结果可知：( 1 ) 对新型拉拔接管集箱进行有限元的分析设计是合理可靠的。( 2 ) 新型拉拔接管集箱的低应力区和在集箱拉拔接管的内拐角处和集箱平盖焊缝内拐角处的高应力区中的局部应力都小于G B T 9 2 2 2 1 9 8 8 标准所要求的相应的许用应力，故结构是安全的。( 3 ) 为了使这种拉拨接管集箱结构的拉拔口结构与尺寸更为合理，还可以进一步优化。参考文献1 何怀兴过热器集箱接管座裂缝的现场补焊及其可靠性分析锅炉、压力容器焊接，1 9 9 6 ，( 2 ) ：3 3 3 43 3 4 2 洪文健，廖景娱，粱思祖过热器出口集箱失效分析压力容器，2 0 0 0 ，1 7 ( 3 ) ：6 1 6 43 刘宪金过热器集箱管座角焊缝裂纹的分析及处理内蒙古电力技术，2 0 0 3 ，2 1 ( 1 ) ：3 5 3 7 4 美国A S M E 锅炉压力容器规范第八篇第二分篇( 2 0 0 1版)5G B 1 “ 9 2 2 2 1 9 8 8 水管锅炉受压元件强度计算
