旋风分离器顶部出口加筋平盖应力分析与强度评定

栾德玉，李龙斌，王松松，王风磊，郭祥忠，李 沂

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)(2.青岛畅隆电力设备有限公司，山东 青岛 266700)

旋风分离器是一种气固体系或液固体系的分离设备，广泛应用于制药和石油化工等行业。平盖是旋风分离器常用的封头形式，在内压及外载的作用下，接管连接处易出现应力集中现象，导致工业事故的发生。因此，对旋风分离器顶部的平盖结构进行应力分析与强度评定，是旋风分离器安全运行的重要保障。

目前，从平盖的受力分析研究成果来看[1-5]，研究主要集中在平盖开孔的补强计算方面，对旋风分离器平盖整体受力的研究比较少。帅勃列[6]对筋板结构为一字形、工字形、井字形和辐射形的平盖受力进行了比较分析，结果表明，具有辐射形筋板的平盖结构受力最好，所需平盖厚度最薄；钟焕杰[7]用拓扑优化的方法，将平盖的筋板布局转化为拓扑优化结果中的材料痕迹分布问题，并依据材料痕迹分布情况设置加强筋的位置；程新宇等[8]运用ANSYS Workbench对压力容器接管处的应力分布进行了探究。本文应用有限元软件，对平盖整体结构的应力分布进行研究，在筋板面积和厚度相同的情况下，对比分析无筋板以及设置等面积的矩形筋板和三角形筋板时的平盖受力特征和变形情况，根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》对平盖进行强度评定，以期为平盖优化设计提供理论参考。

1 模型结构尺寸及技术参数

1.1 结构尺寸

某工程中旋风分离器的筒体长度L=3 000 mm，筒体内径D1=1 950 mm，筒体壁厚δ1=8 mm，平盖位于旋风分离器顶部，其直径D=1 982 mm，厚度δ2=20 mm，平盖上的接管规格为φ820 mm×10 mm，接管高度H=250 mm。10块筋板均布，三角形筋板长度L1=581 mm，筋板高度为h，端部高度h1=3 mm，筋板厚度δ3=16 mm；矩形筋板面积与三角形筋板相同，且厚度一致，高度为h2，长度L2=L1，如图1所示。

图1 旋风分离器及加筋平盖示意图

1.2 技术参数

旋风分离器平盖的设计条件和相关材料特性见表1。筒体/接管/筋板材质为Q345R。

表1 技术参数

2 数值计算方法

2.1 网格划分

分别建立无筋板平盖、矩形筋板平盖和三角形筋板平盖模型，加筋平盖除筋板形式不同外，其他参数均与图1示例相同。为简化计算，不考虑筋板连接处焊缝的影响。

网格划分时采用Workbench中的十节点四面体单元对模型进行网格划分。由于网格数量直接影响计算量的大小，因此要在保证精度的前提下尽量减少网格的数量，在结构的不同部位采用不同密度的网格。划分时，在应力集中的接管与筒体相贯的区域进行网格细化，采用较密集的网格，由相贯线往外网格密度逐渐降低，以保证相贯区的计算精度。

2.2 边界条件

模型受到的载荷有外压、内压、重力、支撑力及远程力，远程力大小为12 276 N，由于重力和支撑力对计算结果的影响较小，可以忽略。在平盖和接管的内表面施加设计压力Pd=0.05 MPa，在接管端面施加等效压力PY=0.988 MPa(可由式(1)求得)，在平盖侧面施加固定约束。

(1)

式中：d0为接管外径，m；δ为接管厚度，m。

3 结果及讨论

3.1 应力分布及变形情况

无筋板的旋风分离器平盖，在内压和外载的作用下的应力分布和变形如图2所示。由图可以看出，接管区域应力集中现象较明显，是高应力区，远离接管区应力分布趋于均匀；最大等效应力出现在接管与平盖相连处，达到了560.17 MPa；开孔处的变形量较大，沿径向逐渐降低，最大变形量出现在接管处，为9.21 mm。综合这些现象可知，无筋板的平盖可能出现由强度不足引发的失效。

图2 无筋板平盖应力分布及变形

矩形筋板高度h2分别为100 mm、110 mm、120 mm时，平盖在内压及外载作用下的最大等效应力如图3所示，总变形如图4所示。在筋板长度和面积相同的前提下，三角形筋板对应的高度h分别为197 mm、217 mm、237 mm时，平盖的最大等效应力如图5所示，总变形量如图6所示。可以看出，加筋板后，平盖应力强度明显降低，消除了接管处的高应力区，应力分布也趋于均匀，表明加筋板改善了平盖的整体受力情况，最大应力点均出现在筋板与接管连接的上端部，变形量出现在受力比较集中的接管上端，最大变形量明显降低。

图3 矩形筋板平盖应力分布

图4 矩形筋板平盖变形量分布

图5 三角形筋板平盖应力分布

同矩形筋板相比，在面积和厚度相同的前提下，各个对应高度的三角形筋板等效应力和变形量均有明显降低，等效应力最大降低27%，变形量最大降低35%，表明三角形筋板结构在应力分布和变形量上均优于矩形筋板。

3.2 应力评定

由JB 4732—1995中的应力分类原则可知，对不同类型的应力强度，需要用不同的许用极限来判定。在内压和外载的作用下，最大应力点出现在接管与筋板的连接处。首先运用线性处理法对应力进行当量化线性处理，然后进行应力分类和评定。在平盖最大应力点处，选取垂直贯穿接管壁厚的方向作为应力线性化处理路径，将各应力分量沿这条处理线进行应力分析与评定。

在筋板与接管连接处，内压产生的应力为一次局部薄膜应力PL和一次弯曲应力Pb，结构不连续产生的弯曲应力为二次应力Q。对应力进行线性化处理，能获得薄膜应力和弯曲应力。一次应力的许用值主要用于表征韧性断裂和塑性失稳，由安定性确定的二次应力许用值，主要用于表征塑性疲劳和过度塑性变形。线性化处理后的应力分布曲线如图7所示。

图7 应力线性化分布曲线

由于不同应力对压力容器失效的危害程度不同，因此不能采用相同的安全系数。应力强度的安全判据如下[9]：

PL<1.5KSm

(2)

PL+Pb+Q<3Sm

(3)

式中：K为载荷组合系数,取1；Sm为设计温度下材料的应力强度，MPa，取[σ]的值。

因此应力评定准则为：

PL<1.5K[σ]=1.5×1×125=

187.5(MPa)

PL+Pb+Q<3Sm=3×125=375(MPa)

表3列出了应力线性化后应力评定结果。

表3 应力评定结果

由图7可知，筋板厚度与面积相同时，三角形筋板的薄膜应力、一次加二次应力相对于矩形筋板均大幅度减小，三角形筋板的受力状况更好，相同工况下安全性强于矩形筋板。

4 结束语

本文应用ANSYS Workbench软件，对旋风分离器平盖的受力情况进行数值计算，通过对一次应力与二次应力的评定，证明三角形筋板平盖的受力状况更好，结构的安全性更高，为工程中内压容器的优化设计提供了参考。