应变强化压力容器稳定性分析

应变强化压力容器稳定性分析

杨帆

杨帆

荷丰（天津）化工工程有限公司天津300110

摘要：应变强化压力容器由于其轻型化等经济性优势而得到不断发展与运用,然其稳定性问题是值得探讨的问题。本文围绕应变强化压力容器的稳定性问题,分析了应变强化技术对容器内压塑性稳定性和外压稳定性的影响,并分析了带环向加强圈的应变强化压力容器的内压塑性稳定性及外压稳定性的情况。

关键词：压力容器;应变强化;稳定性;加强圈

一、设计与应力分析理论

（一）常规设计方法

常规设计方法就是通过简便的计算公式获取压力容器的结构尺寸，使强度要求得到满足。常规设计还包含诸多要求与限制，如制造、附件选择、检验方法等。而这一部分规则与限制都是按照一定的理论，经过工程实践检验之后得到的相对安全的设计结果。

（二）应力分类

经过大量研究，发现压力容器存在不同的失效模式，产生压力容器失效的各种应力，在不同失效模式之中起的作用不同，通常，由薄膜应力引起的失效要远远大于弯曲应力。

二、加强圈的影响

由应变强化压力容器稳定性基础理论可知，奥氏体不锈钢压力容器经过强化处理之后，容器的极限承载能力不受影响，但是当容器长径比达到一定值的时候，应变强化技术就会对容器的外压稳定性带来影响，在设计压力容器时，筒体的长径比要控制在合理的范围内。在筒体上设置环向加强圈，可以提升容器的整体稳定性。首先需要明确加强圈的外形尺寸，对此可以沿着壳体长度方向，通过大加强圈与小加强圈组合的模式，以便减少小加强圈之间的距离，也可以选择单一尺寸的小加强圈。本文中，笔者首先以具有一定长径比的应变强化圆筒容器上设置加强圈为例，对加强圈的截面形状、内外设置方法，以及不同间距组合等来对容器的稳定性进行分析。然后，以单一尺寸的小加强圈为例，分析加强圈的形状对应变强化压力容器稳定性的影响。最后，对加强圈对应变强化压力容器的外压屈曲进行详细分析。

已知某容器的t/D0=0.02，L/D0=6，D0=500mm。选择双线性模型，按照有限元分析的规定设置参数本文不做讨论）。通过全模型分析，在有应变强化措施时，约束筒体两端节点的自由度；在进行屈曲分析时，约束两端节点的环向自由度，同时约束一端一处节点的轴向位移。按照映射网格来进行划分，在加强圈的局部位置进行加密处理，预应变的范围为0~0.12(图略)。经过不同预应变强化后，得到该容器的一阶屈曲模态（c=0.10）(图略)。可以看出，在考虑加强圈截面形状和预应变的基础上，当容器失稳时，其一阶屈曲模态发生一定变化，同时，环向加强圈使长圆筒失稳转换成为短圆筒失稳，每一节筒体失稳的波数达到4个。可见，经过预应变处理之后，等面积的加强圈的截面形状不会对压力容器的屈曲模态产生很大影响。根据不同预应变量的等截面环向加强圈容器的屈曲临界载荷可知，随着预应变量的增加，等截面环向加强圈的容器屈曲临界载荷值也会发生一致的变化，且临界荷载值非常接近(图略)。当屈曲载荷值C=0时，没有应变强化，临界载荷最大值与最小值的绝对差为0.09MPa，平均偏差为0.66%；当C=4%的时候，绝对差值为0.096MPa，平均偏差为0.67%；当C=6%的时候，绝对差值为0.246MPa，平均偏差为1.66%；当C=8%的时候，绝对值为0.226MPa，平均偏差为1.60%；当C=10%差的时候，绝对差值为0.169MPa，平均偏差为1.30%。可见，相对差值不超过2%。在对不同预应变强化处理之后，得到五种截面加强圈圆筒外压失稳的临界荷载变化比值(图略)。可以看出，不同截面形状加强圈的容器的临界荷载的变化与加强圈预应变量的变化趋势是一致的。而且曲线的关系也非常接近，基本上处于重合状态。通过对一阶屈曲模态和屈曲临界值的变化情况进行分析后发现，截面形状不同的等截面加强圈，不仅对应变强化压力容器临界荷载差值的影响很小，而且经过预应变强化处理后得到的容器的预应变量曲线基本重合，变化趋势也基本一致。

采用应变强化设计方法设计并在制造阶段对其进行应变强化工艺处理。容器采用应变强化设计时，壁厚相比于常规设计时减薄35%～50%;经应变强化工艺处理后，其壁厚进一步减薄，筒体直径增大，使得径厚比增大而削弱容器的外压稳定性。另一方面，应变强化处理后，容器鼓胀趋圆且长径比减小，会增强容器的外压稳定性。现有标准并未考虑应变强化的影响，仍按强化前的结构进行设计校核。应变强化技术在提高材料强度的同时，对外压稳定性的影响可能会成为制约轻量化效果的因素研究强化对外压稳定性的影响就显得非常必要。

四、容器强化前后的屈曲分析

使用以上非线性分析模型，按照求解方法，进行理想容器(不含初始几何缺陷的容器)强化后的屈曲分析。为进行强化前后的对比，对理想容器直接进行非线性屈曲得到强化前容器的屈曲分析结果。强化前、后容器的屈曲模态分别为了更清楚地显示屈曲模态的特征。对比强化前、后容器的屈曲模态，发现强化前筒体上出现的波纹数为40个，强化后则为50个。另外，强化－卸载过程产生的径向位移比前屈曲过程的位移大得多，使得强化后容器在临界屈曲时的屈曲形态并不明显，需要将筒体上远离结构不连续区域的径向位移等值线图单独分离，才能比较清晰地显示出模态，提取强化前、后的容器在非线性屈曲过程中筒体上径向位移最大点的载荷—位移曲线其中位移为径向位移。可以看出，强化前、后容器均呈现不稳定的分支屈曲，且强化后容器的屈曲载1.564MPa，相比于强化前的1.614MPa降低了3.1%。理想容器无初始几何缺陷，强化后发生均匀变形，不会产生不圆度。在径厚比增大和鼓胀趋圆的综合影响之下，强化后的屈曲载荷相比于强化前稍有下降。由于容器的屈曲载荷具有缺陷敏感性，而理想容器不含初始几何缺陷，与工程实际不太相符，在这里只作简单讨论。文中将重点探究强化对含初始不圆度容器的屈曲载荷的影响。

图为：屈曲过程径向位移最大点的载荷—位移曲线

三、结语

(1)建立的应变强化压力容器非线性分析模型和应变强化过程模拟方法合理且准确。采用本文确立的非线性分析模型和全面考虑强化影响的屈曲分析方法，分析发现，文中建立的容器模型强化前后的屈曲载荷都具有很强的不圆度敏感性，很小的不圆度就可以显著降低容器的屈曲载荷。

(2)针对本文含初始不圆度的容器模型，在全面考虑应变强化过程的影响时，容器强化后相比于强化前，屈曲载荷增大，屈曲时波纹数减少，屈曲类型更加接近理想容器下的分支屈曲，承载能力得到提升，外压稳定性增强。

(3)应变强化过程可改善容器圆度，提高容器制造过程中壳体初始不圆度的最大允许值。

参考文献:

[1]王步美，陈挺，徐涛，徐惠新，楚亚军.奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的探讨[J].化工机械，2012，39(06)：686-689，735.

[2]陈希.应变强化压力容器外压屈曲研究[D].浙江大学，2015：23-25