容器特殊法兰的计算

2020-06-04杜四宏曲晓宇

云南化工 2020年1期

杜四宏，曲晓宇

（中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州 450052）

关建词：快开法兰；特殊；分析

容器快开法兰是一种特殊的法兰，该法兰有均布的齿，将上盖法兰旋转从而与筒体法兰啮合，快开特殊法兰可以迅速启闭并且有较强的承压能力，这种法兰经常用在开、关盖频繁的容器中。这种情形如硫化罐、蒸压釜、杀菌锅、蒸汽定型锅等[1]。低、中压场合主要用带凸形封头的快开特殊法兰，目前还没有这类特殊法兰的规范可供选用[2]。

在运行压力下，快开特殊法兰的上齿面与下齿面会相互挤压进而相对滑动，上齿面与下齿面的接触行为随着运行过程而变化，上齿面与下齿面挤压接触的应力很难估计。因此，将上齿面与下齿面的接触行为考虑进来符合实际情况。ANSYS有功能强大的接触计算与分析功能，可以进行接触面与接触面的分析、接触点与接触面的计算以及接触点与接触点的分析[3]。

笔者通过CONTACT单元对快开特殊法兰进行计算，对这种特殊法兰的危险面进行了应力评定以及FATIGUE计算。最终表明，按这种计算方法能满足相关要求，并且能降低设备的制造成本。

1 快开特殊法兰模型

某蒸压釜快开特殊法兰由封头（球冠形）、上釜盖快开特殊法兰、O型密封圈、釜体、下釜体快开特殊法兰等组成。上釜盖快开特殊法兰有40个啮合齿，它们是圆周均匀分布的，下釜体快开特殊法兰也有40个齿，这40个齿也是沿圆周方向均匀分布的，蒸压釜上面的齿与下面的齿是相互配合的。上釜盖快开特殊法兰与下釜体快开特殊法兰相互啮合的情形如图1所示。

1.1 设计参数

蒸压釜筒体和球冠形封头使用的是20R钢；上釜盖快开特殊法兰与下釜体快开特殊法兰使用的为16MnII锻件。该蒸压釜的设计压力为1.15MPa，设计温度为150℃，蒸压釜内的介质为水蒸汽，该蒸压釜内直径为2000mm；蒸压釜的设计寿命为105次。该釜总体设计是常规设计，按GB150《钢制压力容器》进行。

根据GB150，常温下20R钢板的许用应力为133MPa，设计温度下的许用应力为132MPa；常温下16MnII锻件的许用应力为150MPa，设计温度下的许用应力为147MPa。按照JB4732中的曲线，当疲劳次数为为105时，材料的许用应力副为138MPa。

图1 蒸压釜上盖法兰与下体法兰相互啮合情形

1.2 上釜盖快开特殊法兰与下法兰接触模型

此蒸压釜的运行周期主要由三个阶段组成：第一个阶段是加压，第二个阶段是保压，第三个阶段是卸压。蒸压釜在第二个阶段压力基本稳定，第一个阶段与第三个阶段速度比较慢，因此不用将加载速率考虑进来。该模型为广义轴对称问题：因为蒸压釜上盖齿与下体齿是均匀间断分布的，并且上、下齿各为40个，整好为偶数，与广义轴对称问题相吻合。笔者取蒸压釜快开特殊法兰的其中一个齿作为对象，蒸压釜上盖法兰与下体法兰相互啮合的模型如图2所示。根据Saint Venant’s Principle，该蒸压釜釜体的长度L应该大于2.5倍的下面快开特殊法兰相接的蒸压釜筒体的平均半径与该蒸压釜筒体的壁厚的乘积再开平方根，即：2.5。

图2 蒸压釜上盖法兰与下体法兰相互啮合有限元模型

计算过程中假设刚开始上釜盖快开特殊法兰与下釜体快开特殊法兰是紧密协调接触，上接触面与下接触面之间是没有间隙或者面与面之间是没有嵌入的，因此它们之间是没有力与力相互作用的。在第一阶段压力增大时，蒸压釜上法兰齿面与釜体下法兰齿面会出现有相互嵌入以及相对滑动的现象，这属于典型的SURFACE TO SURFACE问题。在ANSYS软件中选用Surface to Surface单元TARGE170与CONTA174来分析计算。ANSYS用TARGE170作为目标面，用CONTA174作为接触面，这2个面通过共有的Real Contant组来识别。对于柔性体的面与柔性体的面的接触，通过使相互接触点的数目达到最大值便可以获得最好的精度，因此，该分析对象的目标面为上釜盖快开特殊法兰接触面，接触面为下釜体快开特殊法兰接触面。

对于以上计算，还需要接触刚度值与穿透容差值2个重要特征。接触刚度能较大程度的影响精度和收敛行为，通常接触刚度值越大，计算的精度就越高，但是这样造成的后果就是收敛会变得更加困难。对于Surface to Surface单元，接触刚度用FKN表示。另外一个影响收敛和精度的就是穿透容差，接触刚度对收敛和精度的影响比穿透容差大，但是当穿透容差严格时，模型的计算精度同样可以得到改善，但收敛变得更加困难，穿透容差用FTOLN表示。

本文分析过程属于状态改变非线性，接触状态决定着系统的刚度，接触面的刚度会随着接触状态而改变，当刚度突变比较大时，通常导致的严重的后果就是收敛变得困难。增广拉格朗日法是罚函数法与拉格朗日乘子法结合起来使用来强制接触协调，笔者即采用上述方法，首先用惩罚刚度确定接触协调。当达到平衡时，再用FTOLN TOLERANCE检查。同时，在计算上釜盖快开特殊法兰接触面与下釜体快开特殊法兰接触面之间的接触时，时间步长（time-step）应取小一点，因为如果Time-Step不是太小，就会破坏面与面之间形成的接触力光滑传递，进而迭代也不容易被收敛。

假设上釜盖快开特殊法兰接触面与下釜体快开特殊法兰接触面满足库仑定律。笔者采用了修正的库仑模型，最大摩擦应力TAUMAX约等于δs/（δs为材料的屈服强度[2]）。

1.3 蒸压釜所受荷载及其边界条件

蒸压釜球冠形封头、快开特殊上法兰内表面及其下端面、蒸压釜下面筒体受均布内压作用。快开法兰上、下齿间隙的中截面与球冠形封头顶端设定为SYMMETRE约束符合广义轴对称要求，蒸压釜筒体下端面设定为轴向方向约束，进而可以防止容器整体的轴向刚体位移，蒸压釜上釜盖快开特殊法兰与下釜体快开特殊法兰整体模型见图3。