基于Simulation模块的封头外压应用研究.pdf
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1、基于Simulation模块的封头外压应用研究马潮,张志敏,张杰,刘源(中国石油集团渤海石油装备制造有限公司石油机械厂,河北沧州0 6 2 5 5 2)摘要:针对封头外压应用的实际情况,给出厚度校核与安全外压计算过程,并利用Simulation模块进行模拟受力分析,辅助计算Q235B材料不同厚度、不同直径椭圆封头所承受的安全外压曲线,同时推导出其他常用材料、不同参数封头的安全外压计算公式,为工业生产中封头的外压应用提供依据。关键词:封头;外压;安全压力中图分类号:TH490引言椭圆封头因其综合性能较好、制造工艺简单,广泛应用于石油、化工、机械等行业的容器设备中,,是中低压容器的基本组成部件。在
2、椭圆封头的使用过程中,大多为承受内压的状态,即封头凹面承受压力。然而在一些特殊的应用情况下,椭圆封头会遇到承受外部压力的情况,即封头凸面承受压力。同一封头对于内部压力和外部压力的承受能力是不同的,承受压力一且超过安全使用压力就可能发生危险。本文以直径2 0 0 0 mm、母材材料为Q235B、名义厚度6 mm的椭圆封头为研究对象,利用Simulation模块辅助分析,计算制作厚度一压力关系曲线,同时推导出其他材料与参数椭圆封头的安全外压计算公式。1案例简介某企业曾在研发试制一种嵌套容器的过程中,对夹层进行压力试验时,由于施工人员在之前没有夹层试压的相关经验,在试压过程中利用内压工作压力作为夹层
3、试压的试验压力。在压力试验的升压过程中,内封头突然发生凹陷变形(图1),急剧变形的封头发出巨大响声,施工人员紧急停止加压,及时防止了事故的发生。2设备参数该容器设备通体采用Q235B材料制作,外筒体内径为2 2 0 0 mm,外封头型号为EHA22006(标准椭圆封头,公称直径2 2 0 0 mm,名义厚度6 mm)。内筒体内径为2 0 0 0 mm,内封头型号为EHA20006(标准椭圆封头,公称直径2 0 0 0 mm,名义厚度6 mm)。封头与筒体之间采用双面焊接,焊缝已进行2 0%RT检2吴明明,李斌,周远宏.螺杆钻具万向轴啮合结构有限元分析 J,应用力学学报,2 0 2 0,37(4
4、):1435-1440.3苏义脑.万向轴的运动和受力分析及弯壳体内孔偏移量计算 ,石油钻采工艺,19 9 9(2):2 4-30,113.4刘鸿文.材料力学 M.北京:高等教育出版社,2 0 17.94设备管理与维修2 0 2 3No10(上)文献标识码:B图1封头凹陷变形照片DOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.31电出版社,2 0 14.6吴明明.新型螺杆钻具万向轴结构研究 D.成都:西南石油大学,2019.测。内筒体工作压力为内压0.35 MPa。夹层试压时,内侧封头承受外压,夹层试验压力初始拟定为0.35 MPa。设备结构如图2 所示。3封头厚度校
5、核根据GB1502011压力容器5.3.2 规定,受内压(凹面受压)的椭圆封头最小设计厚度计算公式为:KP.D28,-0.5P.(1)式中封头最小设计厚度,mmK一一椭圆封头形状系数,K=6D,封头内径,取2 0 0 0 mmh-封头深度,查国家标准GB/T251982010压力容器封头,EHA2000 x6椭圆封头深度为5 2 5 mmP-计算压力,根据技术方案,该数值取0.35 MPa8许用应力,查手册Q235B在2 0 下,取113MPa接头系数,根据GB1502011压力容器通用部分,对于双面焊接对接焊缝,局部2 0%无损检测,取0.8 5椭圆封头形状系数K=1,代人数据计算:1x0.
6、35x2000=3.647 mm2113x0.85-0.50.35则封头的最小设计厚度为3.6 4mm。实际应用过程中,封头名义厚度为6 mm,实测厚度均在5.7 mm以上,其厚度满足使用要求。5江丙云,孔祥宏,罗元元.ABAQUS工程实例详解M.北京:人民邮PPP.P图2 设备结构示意D2+2hi【编辑张韵】设计研究4安全外压压力计算根据GB1502011压力容器5.3.3规定,对于外压(凸面受压)椭圆封头的许用压力计算公式为:BP=-(Ro/8.)式中 P-许用压力,MPaR椭圆封头当量外半径,mm8有效厚度,取6 mmB一外压应变系数椭圆封头当量外半径计算公式为:Ro=k;,D.式中,D
7、。为封头外径,2 0 12 mm;K,由长、短轴比值确定,标准椭圆封头k;=0.9,则 Ro=k;D。=0.9 x 2 0 12=18 11 mm。系数B由外压应变系数A决定。根据图3,若A值超过设计温度曲线的最大值,取对应温度曲线右端点的纵坐标值为B值;若A值小于设计温度曲线的最小值,则:B-2AE3EE=2.00E05EE=1.86E05E=1.69E05E=1.57E05E-1.43E05X2345.6789元1.0E-041.0B-04图3外压应变系数B曲线式中,E,为材料在设计温度下的弹性模量,取2 0 0 GPa,则0.1250.125=4.1410-。A=(Ro/8。)(18 1
8、1/6)对于Q235B,其屈服强度Ra约为2 35 MPa,根据图3外压应变系数B曲线,应用于除Q345R外Re207MPa的碳钢。由于A值落在曲线最小值的下方,按照公式计算:2AE,_24.1410-2001000B=355.2则:P=0.188 MPa。(1761/6)试验压力0.35 MPa远超该压力,因此内封头会发生失稳变形。5利用Simulation模块进行辅助分析SolidWorks软件是世界上第一款基于Windows开发的三维CAD系统。该系统自19 9 5 年开始,已累计获得17 项国际大奖。该软件符合CAD技术的发展潮流和趋势,目前已成为全球装机量最大的软件之一,涉及了航空航
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