失效烫平机烘筒封头强度分析

刘小平，王华明，余江涌，孙一平，陈显彬

（1.湖南省特种设备检验检测研究院， 湖南 长沙 410117）

（2.深圳中集天达空港设备有限公司， 广东 深圳 518103）

烫平机是洗涤机械的一种，属于洗衣房熨整设备。其主要部件一般是单个、两个辊，辊通过手摇或电力转动，达到一定温度后，当潮湿的衣物经过两个辊之间，可以除去大量的水分，且达到烫平的效果。用于床单、桌布、布料等的轧平过程。

本文通过有限元对一起失效烫平机不锈钢烘筒强度进行应力分析，模拟烘筒封头在内压0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三种工况下的应力分布情况，并通过压力容器失效准则对失效烫平机烘筒封头进行强度分析。

1 技术参数

根据产品铭牌，使用单位提供的质量证明书和现场测量，烫平机烘筒技术参数如下：

表1 主要技术参数

图1 不锈钢烘筒结构示意图

2 现场情况

在现场对烫平机、安全阀、压力表、连接管线、锅炉等相关设备仪表进行了勘查。烫平机烘筒封头爆裂，生产场地设施受损，见图2、图3。烘筒通过管道直接与锅炉相连，中间未设置减压阀，安全阀、压力表未见校验铅封。

图2 爆裂不锈钢烘筒图

图3 事故现场

3 宏观检验

通过对失效烘筒进行宏观检验，烘筒筒体未见异常，烘筒的爆裂封头内表面存在大量腐蚀坑，外侧边缘均匀减薄，见图4、图5，最薄处仅0.7mm。未爆裂封头也存在明显的腐蚀现象。封头形状为S型，可以视为半球形封头、锥形封头、平盖封头的组合。

图4 烘筒爆裂封头

图5 烘筒爆裂封头最薄位置

4 壁厚测定

对烘筒筒体及爆裂封头（半球形部分、锥形部分、平盖部分）进行测厚，测量值如表2：

表2 筒体厚度测量值（mm）

表3 爆裂封头厚度测量值（mm）（半球形部分、锥形部分、平盖部分典型值）

5 有限元数值分析

计算参数按照表1选取，分别对设计封头和爆裂封头的模型进行预定工况下的结构分析，其中爆裂封头半球形部分厚度值取1.5mm，由于不能确定烘筒爆裂时的工作压力，故在有限元应力分析时对事故烘筒取0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa三种工况进行分析。

5.1 边界条件

该烘筒的力学模型类似于一个两端固定的简支梁。因此其边界条件可作如下简化：

(1)力边界条件：封头内表面承受均匀内压；(2)约束边界条件：轴端部施加固定约束，轴承对称面施加对称约束，筒壁施加X方向约束。

图6 烘筒筒体测厚位置示意图

图7 爆裂封头测厚位置示意图

图8 爆裂封头厚度与设计封头比较示意图

图9 设计封头几何模型

图10 爆裂封头几何模型

图11 设计封头有限元模型

图12 爆裂封头有限元模型

5.2 有限元结果分析

(1)对设计封头结构及筒壁施加0.6MPa内压，其应力云图分布如图13、图14：

图13 设计封头整体结构应力云图（0.6MPa内压）

图14 设计封头A-A截面应力线性化图（0.6MPa内压）

对封头的应力最大位置取A-A截面作为应力线性化路径，得其薄膜应力PL=24.02MPa，薄膜应力+弯曲应力+二次应力PL+Pb+Q=298MPa。

(2)对爆裂封头结构及筒壁施加0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa内压进行应力分析。

(a)施加0.6MPa内压时，其应力云图分布如图15、图16：

图15 爆裂封头整体结构应力云图（0.6MPa内压）

图16 爆裂封头A-A截面应力线性化图（0.6MPa内压）

对封头的应力最大位置取A-A截面作为应力线性化路径，得其薄膜应力PL=171MPa，薄膜应力+弯曲应力+二次应力PL+Pb+Q=10485MPa。

(b)施加0.4MPa内压时，其应力云图分布如图17、图18：

图17 爆裂封头整体结构应力云图（0.4MPa内压）

图18 爆裂封头A-A截面应力线性化图（0.4MPa内压）

分别对其A-A截面施加0.4MPa内压时，得其薄膜应力PL=114.2MPa，薄膜应力+弯曲应力+二次应力PL+Pb+Q=6989MPa。

(c)施加0.2MPa内压时，其应力云图分布如图19、图20：

图19 爆裂封头整体结构应力云图（0.2MPa内压）

图20 爆裂封头A-A截面应力线性化图（0.2MPa内压）

对其A-A截面进行应力线性化，得其薄膜应力PL=57.1MPa，薄膜应力+弯曲应力+二次应力PL+Pb+Q=3495MPa。

5.2 强度校核

根据压力容器失效准则：PL≤1.5 S m 且PL+Pb+Q≤3.0Sm。查阅材料手册，设计温度下Sm=137.5MPa，结合上述有限元应力分析，对设计封头与爆裂封头最大应力位置进行强度校核。

(1)设计封头强度校核见表3。

表3 设计封头最大应力位置强度校核（单位：MPa）

(2)爆裂封头强度校核见表4。

表4 爆裂封头最大应力位置强度校核（单位：MPa）

6 结论

通过现场勘查、厚度测量初步确定烘筒爆裂主要原因是封头强度不够，由于无法确定烘筒爆裂时的工作压力，故取内压0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三种工况进行应力分析及强度校核，结果表明爆裂封头由于球形部分厚度太薄均不满足三种工况下的强度要求。

◆参考文献

[1] 沈鋆，刘应华编著. 压力容器分析设计方法与工程应用[M].北京：清华大学出版社，2016.

[2] 朱保国. 压力容器设计知识（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2016.

[3] 杨君，宁江，童启邦，等. 烫平机不锈钢烘筒爆炸分析与建议[J].中国特种设备安全，2014，(12)：64-68.

[4] 黄冬梅，王婕. 烫平机蒸汽泄漏故障分析与技术改造[J].机电信息，2009，(36)：107-108.

[5] 章春亮. 铸铁烘缸应力分析理论与强度设计方法的研究[D].杭州：浙江大学，2002.