不锈钢封头

  球形封头上开孔连接接管结构是shiyou、化工设备上的常用结构，由于开孔造成了封头强度削弱和结构连续性破坏，使封头与接管连接区域产生应力集中，再加上管道载荷的作用，使该连接区域容易造成压力容器强度、刚度以及稳定性破坏，引起了工程设计人员的广泛关注。目前，容器连接接管结构在承受外载荷时引起的局部应力可以根据美国焊接研

究委员会公报WRC107[1-2]和WRC297[3] 提出的方法来计算WRC107可以对球形和圆筒形开孔局部应力进行计算，而WRC297只能对圆筒形开孔局部应力进行计算，是对WRC107的补充。在使用公报WRC107计算球壳开孔局部应力时，需要满足的条件：接管平均半径 rm 与接管厚度t之比范围为5~50，壳体厚度T与接管厚度t之比范围为0.25~10，壳体参数μ = r0/(RmT)1/2取值范围为0.05~2.2。在使用SW6—2011软件进行局部应力计算时，也有可能出现以上条件都满足但无法获取曲线与曲线之间对应的插值而导致求解失败。这时，通常都是采用有限元法获得结构的局部应力，该方法计算的精度已经得到工程人员和学者的认可。为了求解连接区域的应力分布情况，目前常常采用有限元法对开孔接管区进行求解获得详细的应力分布 [4-8]，并采用JB4732[9] 进行应力强度评定。图1为某设备球形封头与接管连接结构详图，本文采用ANSYS软件中的APDL语言建立其有限元模型，对其在内压和管道外载荷作用下进行强度分析和评定，并对其结构进行优化设计，以期为此结构的工程设计提供一定的参考依据。

1 有限元建模
       接管N1公称尺寸为DN250，接管外径为348mm，厚度为50mm，内壁的倒圆角为5mm，外壁倒直角高度为30mm，由于接管伸出高度大于其有效补强伸出高度，所以在有限元建模时可以将接管直接建至法兰密封面；接管N2公称尺寸为DN850，接管外径为1052mm，厚度为95mm，内壁的倒圆角为10 mm，外壁倒直角高度为30mm，由于接管伸出高度小于其有效补强伸出高度，所以按照实际结构进行建模。由于接管承受外部的管道载荷（集中力与弯矩），所以在进行有限元建模时，需要按照实际尺寸建出全模型。图 2 为球形封头与接管连接结构的有限元模型，采用 ANSYS 软件中具有 20 节点的高阶单元 Solid186 进行网格划分，为了减少计算量，全部采用比较规则的六面体单元进行网格划分，不断对网格进行细化，直至求解的结果基本不变。在接管的端部施加集中力和弯矩时，使用 MASS21 建立质量单元，采用 ANSYS 中 RBE3 命令将接管端部的节点耦合到质量单元上，以便施加集中力和弯矩。该设备的设计压力为 6.0 MPa，设计温度为 130℃。球形封头与筒体的材料均为 Q345R，接管的材料为16Mn Ⅲ 锻 件。根据GB150.2—2011[10] 可查，在设计温度下，材料的弹性模量为 195.2 GPa，泊松比为0.3，球形封头许用应力为Sm1=176.2 MPa，锻件的许用应力 Sm2=171.4 MPa。载荷条件为 ：在球形封头、 接管内表面施加均布压力6.0 MPa， 通过等效计算，在接管 N1 的端面上施加等效均布压力 6.19 MPa，在接管 N2 法兰凸台的端面上施加均布压力 22.53 MPa，在两个接管的中心定义的质量单元上分别施加表1所示的外载荷。边界条件：在筒体的下端面施加环向和垂直方向上的位移约束。该结构的载荷与边界条件如图3所示。