真空高压烧结炉应力分析及疲劳评定

吕明 薛守文 任晓兵 卢巍 张佰运 李想 董鑫

摘      要： 对石油化工企业中常用的真空高压烧结炉卡箍组件结构进行ANSYS应力分析及疲劳评定，通过对结构相关参数的确定，根据GB/150.3标准确定了主要部位的厚度尺寸;结构分析中约束筒体端部轴向位移，对称面施加对称约束;炉盖齿面、齿圈齿面、筒体法兰齿面之间设置为摩擦接触，从而确定应力最大位置，结果评定为合格;根据设备使用年限和循环次数进行了该组件的疲劳分析评定，结果也是合格的。

关  键  词：卡箍组件;厚度计算;应力分析;疲劳评定

中图分类号：TQ052       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）09-2071-04

Abstract： ANSYS stress analysis and fatigue assessment of the clamp component structure of vacuum high pressure sintering furnace commonly used in petrochemical enterprises were carried out. Through the determination of the structure-related parameters， the thickness of the main parts was determined according to the GB/150.3 standard. The axial displacement of the end of the cylinder was restricted in the structural analysis， and the symmetrical plane imposed a symmetrical constraint. The tooth surface of the furnace cover， the tooth surface of the ring gear， and the tooth surface of the cylinder flange were set as frictional contact to determine the position of the maximum stress. The fatigue analysis and evaluation of this component were carried out according to the service life of the equipment and the number of cycles， and the results were acceptable.

Key words： Clamp assembly; Thickness calculation; Stress analysis; Fatigue assessment

帶有卡箍快开结构的压力容器根据其特有属性操作简单，可以承受高压，因此广泛使用在各个行业领域中，例如在化学领域中使用的压力烧结炉，制药企业在炼制中使用的倒锥形制药提纯罐，食品行业中制作罐头时使用的灭菌罐。由于带有卡箍快开结构的压力容器其属性特殊，使用中受力情况复杂，所以在进行设计、制造、安装整个过程要全面管控，并严格按照规范要求进行操作，从而避免以后使用时出现事故。

常规设计中卡箍快开结构的强度计算通常都是根据以往的经验来分析计算，对结构发生接触的位置不能有效地进行应力分析设计，所以在制造过程中往往会浪费多余材料，导致成本过大，因此非常有必要使用ANSYS进行分析设计。

1  烧结炉基本概况

1.1  结构介绍

真空高压烧结炉主要用于烧结某些硬度较高的合金，通常是在熔点很高的粉末状金属中将其烧结至一定形状。烧结炉结构的安全性是保证生产稳定的重要指标，该真空高压烧结炉主要是由炉盖、齿圈、卡箍、筒体、法兰等组成[3]。由于齿啮卡箍结构承压能力较高、操作上简便，所以这种齿啮卡箍结构常常在制造烧结炉中使用。对于其在使用过程中外在条件的复杂和多变，设计该结构时就应对其强度严格按照分析设计标准计算，从而保证设备运行稳定性。本文以某企业真空高压烧结炉为例，计算应力强度和疲劳评定。

1.2  设备特点

1）设备外观新颖，外壳由高温喷塑工艺技术制备。

2）保温性能较好，在设备保温过程中功率不到总功率的30%。

3）真空度可以达到10-1 Pa。

4）可以加入多种混合气体及抽真空，炉顶及炉门水冷。

5）工作温度可以达到1 700 ℃。

2  烧结炉组件相关参数

2.1  设计参数及计算工况

烧结炉卡箍组件相关设计参数及计算工况如表1和表2所示。

卡箍组件在进行应力分析时必须要想到这两种载荷情况，即设计载荷工况和操作载荷工况。按照相关标准的要求[1]，在分析考虑到涵盖二次应力强度相应组合应力强度时，应该考虑操作载荷来分析计算，本文中选用设计载荷来分析计算，这是出于对计算结果相对安全的角度来考虑的。

根据JB 4732—1995中3.7.1.2条规定，水压试验时所研究结构上任何点的压力（包括液柱静压力）未超过该标准规定计算得出的试验压力的6%时，可以免除水压试验工况下强度校核。

2.2  材料性能参数

参考GB/T150.2标准中材料性能指标，并且泊松比取值0.3[2]。性能参数表如表3所示。

3  卡箍组件厚度计算

利用GB/T150.3[2]的有关计算公式求得各个结构厚度，因为介质密度较小，不考虑介质静压力。另外，建模厚度取成形后的最小厚度，内筒体考虑双面腐蚀。

3.1  筒体厚度

3.2  夹套厚度

4  分析计算

4.1  实体模型及网格划分

采用ANSYS分析软件，使用N-mm-MPa单位制，根据模型的受力特点，选取烧结炉的局部结构，建立1/4模型进行分析，所研究的结构选取有效厚度，软件中提供的三维二阶等参元单元进行网格划分[4]。所研究的结构模型及相应的网格划分如图1和图2所示。

4.2  边界条件

结构分析中约束筒体端部轴向位移，对称面施加对称约束;炉盖齿面、齿圈齿面、筒体法兰齿面之间设置为摩擦接触;壳体内压为10.5 MPa，夹套内压0.05 MPa。

5  应力分析结果与评定

5.1  分析结果

卡箍组件应力最大值是在炉盖齿根的位置，应力值是556.72 MPa。总体应力分布结果如图3所示，路径选取如图4至图6所示。

5.2  结果评定

根据JB 4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》把研究结构应力值较大处运用相关等效线性化处理的办法，对选取截面上所受的应力进行分解，并分别归入一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力[5-6]。应力强度值要小于各自的许用值。为简化计算，偏安全考虑二次加一次应力强度使用设计载荷下条件进行评定，评定结果如表4所示。

6  疲劳校核

设计工况2产生的应力比较小，与设计工况1相比可忽略不计，只在疲劳强度校核时计入，并且在疲劳分析时，结构的操作工况在9.8 MPa到-0.1 MPa之间循环，操作工况1与操作工况2相减后为最危险的疲劳工况，为了简化计算结果，以设计工况1与设计工况2相减后为最危险的疲劳工况，这对于分析结果也是安全的。

分析从安全的角度考虑，取值100 ℃时材料的弹性模量Et=197 000 MPa修正应力幅值。设备使用寿命15年内要进行运行N=6 000次，组件中炉盖齿根的最大应力强度值为556.7 MPa。

根据JB 4732—95表C-1中所列，对应于S-N曲线允许循环次数n=6 725次，即n>N。

7  结 论

通过以上局部模型的应力强度分析和疲劳计算表明，该真空高压烧结炉齿啮式卡箍连接件能满足标准中所规定的应力强度与疲劳强度要求，在设计寿命期内可以安全使用[7]。

炉盖与炉体在受到内部应力情况下发生膨胀，并且在与卡箍结构连接位置具有较强的弯曲应力，但是很快应力随之衰减。

通过分析计算可以得知，文章中所研究的真空高压烧结炉还有部分裕量，如果考虑经济效益方面仍可以进一步采取优化设计。

参考文献：

[1]JB 4732—1995，钢制压力容器——分析设计标准[S].

[2]GB 150—2011，钢制压力容器[S].

[3]赵渤亭，聂杰，张连仲，等.压力烧结炉的设计及制造[J].化工设备与管道，2009，46（2）：14-17.

[4]余偉炜，高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[5]丁伯民. 钢制压力容器[M]. 上海：华东化工学院出版社，1992.

[6]吕明，张佰运，王勇.烧结炉卡箍快开结构强度分析[J].当代化工，2014，43（5）：773-775.

[7]丁伯民.钢制压力容器设计、制造和检验[M].上海：华东化工学院出版社，1992.