压力容器弯头接管管道研究 本文关键词：弯头，接管，压力容器，管道，研究
压力容器弯头接管管道研究 本文简介：为了完成一定工艺性能，压力容器本体上必将开设一定数量的管口，如各种物料口、仪表口、检查口等。对于外接管道的管口，由于管道自身承受介质压力、安装与操作时的温差变化及自重等原因，不可避免地将力和力矩传递到设备管口上。过大的外载荷使结构处于不安定状态，容易产生裂纹，导致失效［1］。因此，为了容器的整体安全
压力容器弯头接管管道研究 本文内容：
为了完成一定工艺性能，压力容器本体上必将开设一定数量的管口，如各种物料口、仪表口、检查口等。对于外接管道的管口，由于管道自身承受介质压力、安装与操作时的温差变化及自重等原因，不可避免地将力和力矩传递到设备管口上。过大的外载荷使结构处于不安定状态，容易产生裂纹，导致失效［1］。因此，为了容器的整体安全，必须对接管与壳体的局部应力进行核算，并将其限制在一定范围内。对于从设备壳体上直接伸出的径向接管，外载荷对照力学模型容易确定;但对部分从设备底部或者顶部通过弯头引出来的，如塔底进出物料口，立式容器的排净、放空口等，核算的首要问题，是要按照力学模型，正确输入外载荷条件。
1外载荷核算模型
由于外载荷的多样性及局部应力计算的复杂性，国内外压力容器常规设计规范正文中，都未包括外载荷引起的局部应力的计算。目前，广为国际工程界应用的有美国焊接研究协会WRC第107号公报［2］、WRC第297号公报［3］及英国标准PD5500附录G［4］。这些方法考虑了以下4种传递到壳体上的外部载荷，见图1。(1)径向载荷P;(2)周向切向载荷V1和经向切向载荷V2;(3)周向外力矩M1和经向外力矩M2;(4)扭转力矩MT。一般情况下，由接管外载荷P、V1、V2、M1、M2、MT引起的最大正应力和最大剪应力发生在接管与壳体连接处外壁面的AU、BU、CU、DU和内壁面AL、BL、CL、DL这8个点上［5］。局部应力的强度评定通常参照分析设计的方法，即根据各种应力的起因和性质，先进行应力分类:(1)仅由盛装介质压力P所引起的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm;(2)由外加载荷所引起的薄膜应力的叠加为一次局部膜应力PL;(3)由外载荷所引起的弯曲应力为二次应力Q。然后各类应力中的各向应力分别进行叠加，分别求出壳体和接管在各点处的经向和周向正应力，以及剪切应力，计算复合应力的当量强度。当各外载荷都不带交变性质，或可以免除疲劳分析时，各点复合应力当量强度的校核条件为［6］:(1)仅内压引起的薄膜应力σ≤［σ］t;(2)内压和各外载荷引起薄膜应力的总值σ≤1.5［σ］t;(3)内压和各外载荷引起薄膜应力加弯曲应力的总值σ≤3［σ］t。
2弯出接管管道载荷
工程上，对于较大的管道外载荷，管道机械专业会把传递到设备管口法兰面上的载荷以条件形式提给设备专业核算，或者设备专业在设计文件中限定每个管口许用外载荷大小。目前，核算常采用软件分析，如SW6零部件的局部应力模块，PVelite的WRC297模块等。在软件的力学模型中，要求输入作用在法兰面上的力和力矩(见图2)。但实际工作中，也常遇到带有弯头的接管(见图3)，如塔底引出管。笔者工作中经常发现，部分设计人员在核算图3这种弯管型式外载荷时，常将作用在法兰面上的力和力矩，直接平移到接管根部作为设计输入。实际上，这种载荷直接平移，未考虑力的平移影响，得到的应力评定结果是不准确的。本文分析了P，V1，V2平移后，对等效作用在接管根部的力矩和扭矩的影响。2.1力的平移定理设刚体的A点作用着一个力F(图4(a))，在此刚体上任取一点O。现在讨论把力F平移到O点，而不改变其原来的作用效应。首先，可在O点加上两个大小相等、方向相反，与F平行的力F"和F″，且F"=F″=F(图4(b))。根据加减平衡力系公理，F、F"和F″与图4(a)的F对刚体的作用效应是相同的。显然F″和F组成一个力偶，其力偶矩为m=F·d=MO(F)这三个力可转换为作用在O点的一个力和一个力偶(图4(c))。由此可得力的平移定理:作用在刚体上的力F，可以平移到同一刚体上的任一点O，但必须附加一个力偶，其力偶矩等于力F对新作用点O之矩［7］。2.2弯管外载荷平移将作用在法兰面上的FR由A点平移到O点，得力V2，同时还必须附加一个绕V1轴正方向旋转的力偶FR·H;同理，将FL平移到O点，得径向力P，同时也附加一个绕V1轴正方向旋转的力偶FL·L;将FC平移到O点，得力V1，同时附加一个绕V2轴负方向旋转的力偶FC·H，另外，对P轴负方向也产生了扭矩FC·L。将力系向O点简化，得到以下将载荷转化到接管根部的方程式:2.3局部应力计算实例及分析某项目加氢反应器，设计参数见表1，底封头出料口弯出裙座之外，如图3所示，作用在法兰密封面的管道机械载荷条件见表2。核算条件中，力系作用点在法兰面，计算模型中，需要将力系平移至接管根部，根据2.2节得到的方程，代入数据，转化后的管道载荷见表3。对比表2和表3，作用在接管根部的载荷，并不是表2中力和力矩的简单平移。力的平移，对力矩和扭矩的数值有较大的影响。
3结语
随着生产的日益扩大，压力容器的设计日益大型化、高参数化。对压力容器设计而言，不仅要注重介质压力对壳体厚度的影响，同时也要关注内压与外部载荷联合作用下对壳体强度的影响，保证设计的本质安全。当接管承受较大外载荷时，可以从如下几点考虑:(1)减少两连接件的刚度差;(2)接管根部角焊缝圆滑过渡，避免结构突变;(3)适用补强圈的场合，尽量设置补强圈。对于小接管，外伸较长时，建议设置加强筋;(4)设计文件中对角焊缝提出必要的无损检测要求;(5)如管道外载荷过大，将条件返回给配管专业，调整管道走向，或增加支吊架和挠性元件，降低管道所传递的载荷。
作者：林洪亚 单位：中国天辰工程有限公司
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