防止超高壓容器螺紋聯(lián)接疲勞失效的措施

李　茗，許銳冰

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

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防止超高壓容器螺紋聯(lián)接疲勞失效的措施

李茗1，許銳冰2

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

摘要：超高壓容器在結(jié)構(gòu)上存在局部不連續(xù)，容易引起應(yīng)力集中的缺點(diǎn)，同時(shí)由于連續(xù)的開、停操作容易引起交變循環(huán)應(yīng)力。分析了超高壓容器螺紋聯(lián)接的受力情況,提出了通過改善局部結(jié)構(gòu)來降低應(yīng)力集中的措施,從而提高了疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：超高壓容器；疲勞壽命；螺紋聯(lián)接

超高壓容器在人工晶體、陶瓷、粉末冶金以及食品處理等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛,容器也趨于大型化,工作條件日益苛刻,要求承受循環(huán)載荷的次數(shù)不斷增加。我國的《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定了超高壓容器應(yīng)當(dāng)進(jìn)行疲勞分析,美國的ASME Ⅷ卷第三分篇對疲勞分析進(jìn)行了規(guī)定,給出了設(shè)計(jì)方法；因此,超高壓容器的設(shè)計(jì)不僅要進(jìn)行靜強(qiáng)度設(shè)計(jì),更重要的是要進(jìn)行疲勞分析設(shè)計(jì),以保證這些超高壓容器在有效的使用期內(nèi)不出現(xiàn)疲勞失效的現(xiàn)象。

1疲勞分析

超高壓容器中的交變循環(huán)應(yīng)力主要是由頻繁的間隙操作和開、停工造成工作壓力和各種載荷的變化,以及運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的壓力波動等所引起的。

超高壓容器在結(jié)構(gòu)上存在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù),因而引起應(yīng)力集中,尤其當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到較高值,應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度形成局部塑性區(qū)時(shí),該區(qū)域往往是萌生疲勞裂紋和引起容器疲勞破壞的源區(qū)。由于局部塑性區(qū)內(nèi)存在的高應(yīng)變,當(dāng)結(jié)構(gòu)處于不安定的狀態(tài),在交變載荷下局部將發(fā)生交變的塑性應(yīng)變。

由于超高壓容器的峰值應(yīng)力很大,容器疲勞破壞時(shí)的循環(huán)周次都很低,因此是一種高應(yīng)變、低循環(huán)疲勞,稱為低周疲勞。超高壓容器的疲勞設(shè)計(jì)方法就是以低周疲勞作為基礎(chǔ)的。

常規(guī)的疲勞分析設(shè)計(jì)的步驟及方法如下：1)應(yīng)力分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,計(jì)算最危險(xiǎn)截面的應(yīng)力最大值及最大交變應(yīng)力幅值；2)根據(jù)計(jì)算出的最大交變應(yīng)力幅值,查取相應(yīng)材料的疲勞曲線,進(jìn)行疲勞校核。

2防止疲勞失效的措施

為防止超高壓容器發(fā)生疲勞失效,只有將容器應(yīng)力集中部位的最大交變應(yīng)力的應(yīng)力幅限制在低周疲勞設(shè)計(jì)曲線確定的許用應(yīng)力幅之內(nèi),才能保證在規(guī)定的設(shè)計(jì)循環(huán)周次內(nèi)不發(fā)生疲勞失效。對于單層螺紋聯(lián)接的超高壓容器,根據(jù)現(xiàn)有容器疲勞失效的情況，容器疲勞破壞的部位一般都在筒體與螺塞螺紋聯(lián)接的截面處。

對于螺紋聯(lián)接的超高壓容器的筒體,螺紋退刀槽和螺紋本身發(fā)生了結(jié)構(gòu)不連續(xù),產(chǎn)生了最大局部的應(yīng)力集中,在該截面處的應(yīng)力峰值也最大；所以，著重分析筒體在螺紋聯(lián)接處的受力情況,通過改善容器的局部結(jié)構(gòu)來降低應(yīng)力集中,從而提高容器的疲勞壽命。

2.1提高螺紋聯(lián)接強(qiáng)度的措施

螺紋聯(lián)接在承受載荷時(shí),旋合的各圈螺紋的受力是不均勻的,尤其在超高壓容器螺紋結(jié)構(gòu)中廣為采用的鋸齒形螺紋,其受力的分布更加不均勻,從受載端向非受載端遞減,受載端的前1/3長度的螺紋已經(jīng)承受了總載荷的60%～70%,后2/3螺紋僅承受了總載荷的30%～40%，如圖1所示。傳遞力的第1圈螺紋所受載荷最大，峰值應(yīng)力可以達(dá)到約1 500 MPa,以后各圈遞減,螺紋的旋合長度越長,受力的不均勻程度就越明顯；因此,單純增加旋合長度對于提高螺紋承載能力并不能起到根本的作用。

圖1　螺紋受力時(shí)的載荷分布

2.1.1改進(jìn)螺紋牙形

在對螺紋進(jìn)行受力分析時(shí),把螺紋的單個(gè)牙形簡化成懸臂梁,按照材料力學(xué)的方法進(jìn)行受力分析與強(qiáng)度校核。分析方法是假設(shè)全部旋合螺紋的受力是均勻的,分別驗(yàn)算螺紋根部危險(xiǎn)截面的剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及合成應(yīng)力，而螺紋牙根的尺寸對于該截面強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用,提高牙根的尺寸可以顯著降低危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值,從而提高安全系數(shù)。

針對這種情況，本文采用上述改進(jìn)措施設(shè)計(jì)了一種高壓釜，在不提高螺紋旋合長度的前提下，通過改變螺紋的螺距，提高了螺紋牙根的尺寸，有效降低了局部應(yīng)力，安全系數(shù)可以提高約20%。

2.1.2改進(jìn)螺紋部位結(jié)構(gòu)

經(jīng)上述分析和試驗(yàn)證明，螺紋承受最大載荷的部位是在受載端的最初幾圈螺紋，而通過應(yīng)力分析，該螺紋部位的結(jié)構(gòu)剛度也與螺紋部位的應(yīng)力有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)剛度大，螺紋在承受載荷時(shí)的變形就小，螺紋根部的應(yīng)力集中就明顯；相反，局部剛度適當(dāng)降低，可以增大螺紋由于受載產(chǎn)生的變形，由于變形協(xié)調(diào)，局部較高的應(yīng)力峰值就降低了，從而降低了應(yīng)力集中。從另外的觀點(diǎn)分析，通過改變螺紋部位的實(shí)際受力點(diǎn)的位置，人為地將最大作用力從端部轉(zhuǎn)移到第3～4圈螺紋處，改善了整個(gè)螺紋的受力分布情況，也可以起到降低應(yīng)力峰值的作用，改進(jìn)前、后螺塞受力位置對比如圖2所示。降低了局部應(yīng)力峰值，就可以提高筒體的疲勞強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)超高壓食品處理設(shè)備時(shí)，對螺套進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)處理，經(jīng)有限元應(yīng)力分析，端部螺紋的應(yīng)力集中有較大的降低。

圖2　改進(jìn)前、后螺塞受力位置對比

2.2降低螺紋牙的應(yīng)力集中

筒體螺紋的牙根和退刀槽部位，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，都會產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是產(chǎn)生疲勞裂紋引起斷裂的危險(xiǎn)部位，特別是受力很大的第1～2圈螺紋處，情況更為嚴(yán)重。螺紋牙底圓角半徑和螺紋表面粗糙度是決定應(yīng)力集中系數(shù)的主要因素。為了降低該處的應(yīng)力集中，可以在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量增大牙頂和牙底的圓角半徑，使螺紋聯(lián)接圓滑過渡，減少螺紋根部的應(yīng)力集中，提高螺紋的疲勞強(qiáng)度；另外，降低螺紋的表面粗糙度，可以降低萌生裂紋的數(shù)量和尺寸，從而明顯地提高疲勞壽命。

2.3材料、制造、檢驗(yàn)

雖然材料本身不是提高疲勞壽命的主要因素，但是，超高壓容器仍然必須嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行制造和檢驗(yàn)。嚴(yán)格控制材料的冶煉，提高鋼的純凈度，降低有害雜質(zhì)硫和磷的含量，控制鋼中的氣體氫、氧和氮等的含量，降低有害元素砷、錫、銻、鉛和鉍的含量。嚴(yán)格控制鍛件質(zhì)量，保證所需的化學(xué)成分、鍛造比和力學(xué)性能等指標(biāo),認(rèn)真進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)以及非金屬夾雜物的檢驗(yàn)。這些可以提高材料本身的沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)。

應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行超高壓容器筒體以及主要受壓元件的制造，保證關(guān)鍵部位的尺寸精度和表面粗糙度要求，并嚴(yán)格按照要求進(jìn)行無損檢測。

3結(jié)語

對于超高壓容器的疲勞設(shè)計(jì)問題，不僅是計(jì)算方面的問題，同時(shí)還涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造、檢驗(yàn)等諸多問題。因?yàn)榉乐谷萜鞒霈F(xiàn)疲勞失效主要是降低局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)效應(yīng)所帶來的應(yīng)力集中，以減少峰值應(yīng)力在交變狀況下的破壞作用。

責(zé)任編輯鄭練

The Fatigue Failure Control Measures of the Threaded Connections in the Ultra-high Pressure Vessels

LI Ming1, XU Ruibing2

(1.Baotou Vocational Technical College, Baotou 014030, China;2.North Heavy Industry Group Co., Ltd., Baotou 014030, China)

Abstract：The structure of pressure vessel is not continuous, and easy to cause thestress concentration at the same time. Due to the continuous start and stop operation, it is easy to cause the alternating cycle stress. The force situation of the threaded connections in the ultra-high pressure vessels is analyzed in the paper. It is an effective measure to improve the part structure to reduce the stress concentration, and thus the fatigue life will be prolonged.

Key words:the ultra-high pressure vessels, the fatigue life, the threaded connections

收稿日期：2014-11-14

作者簡介：李茗(1973-)，女，副教授，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面的研究。

中圖分類號：TH 131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B