基于ANSYS的某正拱带槽爆破片的设计及仿真
2012-02-21焦仁雷谈乐斌潘孝斌
焦仁雷,谈乐斌,潘孝斌
(南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)
爆破片是压力容器、压力管道的断裂型安全泄放装置。在规定的温度下,当压力容器内的压力达到爆破片的标定压力时,爆破片会自行爆破,泻放出压力介质,但泄压后压力容器、压力管道也中断运行,以保障生命财产的安全[1~2]。随着爆破片技术的快速发展,需要安装爆破片装置的压力容器日益增多,而不同压力容器的设计参数各不相同,为了保证爆破片在特定的设计压力下准确爆破,每批爆破片装置都必须针对特定的压力容器进行设计,因此,设计任务非常繁重。由于爆破片的可靠性要求较高,采用传统的设计方法,设计速度慢,效率低以及造成材料的浪费等缺陷。通过ANSYS软件的有限元分析与优化,理论结合实际,从而最大限度的将问题解决在设计阶段,节省设计经费,缩短设计周期,具有重要的现实意义。
1 正拱带槽爆破片
正拱带槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面侧)上加工有“十”字形减弱槽,在爆破压力下,减弱槽处因强度不足而断裂,整个拱面沿减弱槽掀起成为4瓣,如图1所示。正拱带槽型爆破片的最大特点是,爆破不产生碎片[3]。与其他正拱形爆破片相比,在一定爆破压力下,允许的工作应力较高,疲劳强度较好。
爆破片能否达到预期的功能,能否真正保护压力设备,配置、安装与维护是非常重要的。爆破片可以单独设置,作为唯一的安全泄压设备,爆破压力应不大于保护设备的设计压力[3]。爆破片可以是并联或者串联设置,爆破片还可以与安全阀串联或者并联使用。当爆破片与安全阀串联使用时,爆破片串联在安全阀的入口侧;而当爆破片与安全阀并联使用时,爆破片串联在安全阀的出口侧,否则,安全阀将失去作用。爆破片安装正确与否,对爆破片及其设备具有较大的影响。在实际应用中,爆破片安装不当会造成安全事故[3]。因此,在使用爆破片过程中,不要损伤爆破片的拱面,因为拱形金属薄片是爆破片的敏感元件,极易损伤。鉴于爆破片的安全性能对整个设备的重要性,所以要定期检查、更换。
图1 正拱带槽性爆破片爆破前后状态
图2 正拱带槽性爆破片的结构尺寸
2 爆破片力学模型
在室温下工作,材料选用SUS316,材料密度为7 930 kg/m3,坯料的厚度 S0=0.881 mm,槽宽 b=0.8 mm,d=80 mm,选 H/a=0.4[4],如图 2 所示,其抗拉强度1 360 MPa,屈服强度820 MPa[11],弹性模量195 GPa,泊松比0.3,正常的操作压力为0.2 MPa。正拱带槽爆破片的爆破压力可由下式估算[3~4]。
式中,
hc为剩余槽深;
R为拱顶处曲率半径。
在拱顶高度H不很大时,可由式(2)确定
其中,K为材料常数,取K=216.6 MPa。
当爆破片爆破压力偏差<4%时,满足设计要求。
由(2)公式知 R=58 mm,hc预定 =0.65 mm;由公式(1)知 Pb=0.42 MPa。
如果预拱的拱面为一厚度均匀的球面,当成形前后材料的体积不变时,成形前后材料的厚度关系式为[4]
由公式(3)知S=0.762 mm。为了方便建立模型,厚度均用0.762 mm。
为了满足稳定性能则有半球体临界压力[8~10]
式中,
E为弹性模量;
μ为泊松比。
由(4)式求得Pcr=0.41 MPa。当在正常操作压力时,爆破片不发生失稳,满足设计要求。
3 有限元模型和结果分析
3.1 有限元模型建立
首先使用UC建立模型,根据对称性,选择爆破片的1/4建立几何模型,如图3所示。将此模型导入ANSYS中,选择solid92体单元,该单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。定义材料属性和设置温度,划分网格后的有限元模型,如图4所示。加载求解,最后进行后处理。
图3 爆破片三维几何模型
图4 爆破片有限元模型
3.2 结果分析
(1)在正常操作压力为0.2 MPa时,等效应力场等值线图如图5所示。在常温下,材料的屈服强度为820 MPa,由ANSYS等效应力场等值线图知,最大应力为655 MPa,在设备正常工作的条件下,爆破片能保证设备的安全性能。
(2)在设计爆破片压力时,等效应力场等值线图如图6所示。由ANSYS等效应力场等值线图知,最大应力为1 380 MPa,在室温下材料的抗拉强度为1 360 MPa,最大应力大于材料的抗拉强度,能使材料发生破坏。
图6 设计爆破片压力等效应力场
4 结束语
通过对爆破片的有限元分析表明,ANSYS有限元分析软件是对爆破片应力计算和分析的有效工具,得到的分析结果可以应用于实际工程中,有限元软件为爆破片的设计及其优化提供了可靠的依据,与理论知识较好的匹配,对爆破片的结构设计和优化提供了参考。通过对有限元软件辅助分析,最大限度的降低设计成本,缩短设计周期。
[1]马世辉.压力容器安全性能(第1版)[M].北京:化工工业出版社,2011.
[2]阎小茹.化工设计中爆破片的设置和选用[J].中小企业管理与科技,2008,(27):223-224.
[3]李志义,喻健良.爆破片技术及应用(第1版)[M].北京:化工工业出版社,2006.
[4]喻健良.正拱形刻槽爆破片爆破特性研究[J].压力容器,1994,11(6):44-47.
[5]张朝晖,李树奎.ANSYS 11.0有限元分析理论与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2008.
[6]王金龙,王清明,王伟章.ANSYS 12.0有限元分析与范例解析[M].北京:机械工业出版社,2010.
[7]龙志勤,王志刚.基于ANSYS压力容器的应力分析[J].装备制造技术,2010,(12):13-14.
[8]GB/T1220-1992,不锈钢[S].
[9]范钦珊.压力容器应力分析与强度计算[M].北京:原子能出版社,1979.
[10]吉 尔.压力容器及其部件的应力分析[M].北京:原子能出版社,1975.
[11]盛道林,武松涛,朱银锋.EAST外杜瓦泄放保护装置中爆破片的分析研究[J].核聚变与等离子体物理,2010,(2):166-168.
[12]宋小龙,安继儒.新编中外金属材料手册[M].北京:化学工业出版社,2007.