探讨如何设计基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器

2021-11-20张建平胡祥金江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院鹰潭检测分院

环球市场 2021年30期

张建平胡祥金江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院鹰潭检测分院

齿啮式快开压力容器具有快速启闭、卸料便利等特点（以下简称“容器”），适用于化工、食品、纺织等工业领域中直径较大场合，容器安全性能直接影响产线运行安全。在容器设计方面，需要完成整体安全性验证，通过建立有限元模型对结构应力展开分析，验证容器结构安全、可靠。因此应掌握容器应力评估方法，为容器设计提供科学指导。

一、齿啮式快开压力容器整体有限元应力分析

从结构组成上来看，容器包含卡箍、筒体、端部法兰、封头等多个部分，依靠法兰齿和封头齿的啮合实现结构连接。实际容器整体结构非轴对称类，但啮合齿沿轴向对称分布，受力和变形可看成是广义轴对称问题。通过整体建模对各工况下的容器结构应力分布状况展开分析，通过截取危险截面实现危险路径定义，确保获得的应力结果符合实际。相较于单元有限元分析，整体建模分析的内压加载状态和对称约束不变，但在啮合力作用下无须对封头设定竖直方向约束。啮合面间存在的摩擦接触可以在法向脱离，在切向出现相对滑移。尽管施加内部正压不会导致法向分离出现，但由于封头法兰和筒体法兰刚性不同，会出现变形量差异，使切向出现相对滑动。将齿间隙接触面当成是研究对象，由于位于法兰连接位置不会产生边缘应力。

通过定义接触问题，并进行边界条件加载，可以使容器齿间接触面发生相对滑动，使上、下法兰和卡箍、楔块等分别接触。为避免整体出现轴向刚体位移，设筒体下端面轴向位移为零。结合容器特点，可以分别施加对称约束、位移约束、载荷等，完成边界条件计算。

将齿面接触看成是无间隙，受负载时因接触法兰变形不一致将导致接触面积变小，出现嵌入和相对滑动。在应力分类方面，利用线处理法对危险截面应力分量进行均匀化、线性化处理，获得沿应力分布线的薄膜应力、弯曲应力等数值。结合容器失效受到的不同力的大小，将薄膜应力划分为一次总体薄膜应力Pm和局部应力PL，弯曲应力划分为一次应力Pb和二次应力Q，另外包含峰值应力F，要求各应力强度达到如表1所示的限制标准[1]。要求各类应力强度达到许用极限要求，实际在分析时需要考虑温度等因素给材料性能带来的影响，因此要求应力强度值不超疲劳曲线峰值幅度。

表1 各应力强度限制标准

二、基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计方法

（一）设计参数

在容器设计方面，内直径为2500mm，工作温度达225℃，压力为5MPa，设计压力为5.5MPa，水试验压力达6.9MPa。封头和筒体采用Q345材质，楔块为45#钢，法兰和卡箍为20MnMoIII材质，各材料性能参数如表2所示。

表2 材料性能参数

（二）应力分析

如图1所示，通过对施加容器实际工况载荷，能够确定应力分布情况，应力最大位置位于法兰齿面和楔块间。选取危险截面进行应力评定，发现齿面与楔块接触位置应力达到466MPa，上法兰最大达368MPa，下法兰最大251MPa，上楔块最大218MPa，下楔块最大346MPa，卡箍最大423MPa，筒体最大198MPa，封头最大为184MPa。根据分析结果可知，齿面和楔块位置成为最可能引发容器失效的部位。

针对高应力区域，选取多个截面进行应力分析，需要将不连续或应力集中界面当成是强度评定依据。通过选取9条危险路径展开分析，结果如表3所示，说明各部分应力强度合格。对容器疲劳问题展开分析可知，循环加载荷载的情况下，容易出现应力集中问题。按照累计损伤准则进行0～5MPa载荷循环加载，次数达到1000次，并循环开展30次水压试验。期间，载荷最低为0MPa，温度为0℃，最高为5MPa，温度为200℃[2]。通过反复分析，确认累积系数值为0.385，比1小，因此容器不会出现疲劳失效情况，能够验证结构设计方案的有效性。在整体有限元应力分析过程中，可以发现相同工况下楔块、封头等位置的应力强度较小，能够通过适当减小材料厚度节约成本，同时保证结构应力满足要求，充分展现设计方案的实用性和经济性。