壓力容器蒸壓釜的結(jié)構(gòu)力學(xué)及疲勞特性分析

楊進,楊在國,薛冬,杜明星

壓力容器蒸壓釜的結(jié)構(gòu)力學(xué)及疲勞特性分析

楊進,楊在國,薛冬,杜明星*

江蘇泰康安全環(huán)境科技有限公司, 江蘇 泰州 225300

本文以蒸壓釜作為研究對象，采用Proe軟件建立了公稱直徑2000 mm蒸壓釜的三維模型，利用ANSYS Workbench對蒸壓釜進行了靜力學(xué)分析，獲得了其應(yīng)力分布情況，直觀地顯示出其應(yīng)力集中部位。基于應(yīng)力分析的結(jié)果，利用Fatigue Tool疲勞模塊進行疲勞分析，預(yù)測了釜蓋法蘭疲勞壽命的大小，分析了疲勞壽命、安全系數(shù)等云圖并獲得蒸壓釜最易發(fā)生疲勞損傷的位置，為其進一步優(yōu)化提供參考。

蒸壓釜; 結(jié)構(gòu)力學(xué); 疲勞特性

蒸壓釜是化工行業(yè)用于制作新型輕質(zhì)墻體材料的壓力容器裝置[1]。從工藝特性的角度分析，蒸壓釜經(jīng)常間歇操作并承受交變載荷，因為其容積大，故而如果出現(xiàn)爆炸事故就會引發(fā)相當(dāng)嚴(yán)重的情況。所以設(shè)計人員在設(shè)計、制造的過程中一定要考慮周到，嚴(yán)謹(jǐn)參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范實施，以求規(guī)避所有安全隱患。

蒸壓釜工作時，釜內(nèi)伴隨著升溫升壓、恒溫恒壓、降溫降壓的過程，蒸壓加氣混凝土管樁只有在一定的溫度和壓力水平上，并保持蒸養(yǎng)一定的時間，才能具備良好的綜合物理性能[2-5]，疲勞破壞是機械零部件或工程結(jié)構(gòu)在受到低于材料強度極限的交變載荷作用下，造成材料破壞的現(xiàn)象[6]。實踐表明，疲勞破壞是釜齒開裂的重要原因之一。因此，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計時務(wù)必要考慮其對材料的影響。

1 蒸壓釜的靜力學(xué)分析

1.1 蒸壓釜有限元模型

本文以常州某公司的一臺齒根出現(xiàn)裂紋（圖1）的公稱直徑2000 mm的蒸壓釜為研究對象，通過Proe軟件創(chuàng)建蒸壓釜的3D模型，使用ANSYS Workbench軟件分析其結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)狀態(tài)以及計算其疲勞壽命，得到蒸壓釜應(yīng)力集中與極易產(chǎn)生疲勞損傷的區(qū)域。蒸壓釜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 蒸壓釜釜齒側(cè)裂

圖2 蒸壓釜結(jié)構(gòu)簡圖

1. 橢圓形封頭 Ellipsoidal head 2.釜蓋法蘭 Cover flange 3.釜體法蘭 Autoclave flange 4.密封槽 Seal groove 5.圓筒體 Cylinder

蒸壓釜屬于中、低壓齒嚙式快開容器。圓筒體和封頭材料選用Q345R，釜蓋、釜體法蘭材料選用16 MnⅡ，介質(zhì)為水蒸氣。材料性能與設(shè)計參數(shù)：內(nèi)徑2000 mm；焊接接頭系數(shù)0.85；腐蝕裕量2 mm；設(shè)計壽命8年；設(shè)計溫度200 ℃；設(shè)計壓力1.8 MPa；工作壓力1.6 MPa。

根據(jù)蒸壓釜實體大小，通過Proe軟件創(chuàng)建和優(yōu)化其3D模型，導(dǎo)入到Workbench中。設(shè)定密度為7850 kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。采用solid185單元類型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的節(jié)點有617054個，單元有154919個，網(wǎng)格的Skewness（偏度值）平均值為0.21，最大值為0.67，網(wǎng)格質(zhì)量較好。使用154919，263871網(wǎng)格數(shù)量進行仿真獲得的模擬結(jié)果比較接近，所以選定網(wǎng)格總數(shù)154919。建立蒸壓釜的有限元模型如圖3所示。

圖3 蒸壓釜有限元模型

圖4 蒸壓釜載荷示意圖

圖5 蒸壓釜等效應(yīng)力圖

橢圓形封頭、法蘭內(nèi)表面、筒體、釜蓋法蘭下端面上密封槽以內(nèi)的部分，密封槽內(nèi)表面承受均勻分布的壓力，而廣義軸對稱結(jié)構(gòu)的齒間隙中截面周向與橢圓形封頭頂端徑向均沒有位移。設(shè)置筒體下端面軸向位移為零，使得蒸壓釜整體的軸向剛體不發(fā)生位移，如圖4所示。

1.2 蒸壓釜靜力學(xué)結(jié)果分析

蒸壓釜靜力學(xué)計算后的蒸壓釜Von Mises應(yīng)力分布見圖5。最大應(yīng)力分布在釜蓋法蘭齒牙尖的紅色位置，最大值為629.88 MPa，在齒根與齒側(cè)面區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力幅值為140.51 MPa。

2 釜蓋法蘭的疲勞壽命計算

工程中大部分零部件和結(jié)構(gòu)的失效都?xì)w結(jié)于材料疲勞，造成的破壞與循環(huán)加載有關(guān)[7]。蒸壓釜釜蓋、釜體法蘭材質(zhì)是16 MnⅡ鍛件，法蘭齒的側(cè)立面一般要先經(jīng)過火焰切割，然后再進行表面機加工制造成型。從蒸壓釜制造廠的質(zhì)檢部門了解到，齒側(cè)立面人工火焰切割時，常常會出現(xiàn)表面成型不良和機加工余量不足，甚至出現(xiàn)過量切割造成齒寬小于設(shè)計等情況，對于此類情況，一般采取補焊的方法維修。然而，無論是切割過量后的補焊還是火焰切割，如果沒有經(jīng)過退火處理，都會產(chǎn)生淬硬組織，含有較高的殘余應(yīng)力，這將會成為疲勞裂紋的起始點，在長期的循環(huán)載荷作用下，最終將形成裂紋或破壞，甚至導(dǎo)致失效。而王[8]等人對大型蒸壓釜釜體法蘭疲勞分析后得出釜體法蘭只要結(jié)構(gòu)上無急劇突變，選材得當(dāng)，焊接殘余應(yīng)力被合理消除，在通常情況下不會發(fā)生疲勞破壞。

ANSYS Workbench中的Fatigue Tool疲勞模塊是基于應(yīng)力—壽命方法專門分析疲勞的工具，綜合權(quán)衡載荷條件、疲勞使用系數(shù)與平均應(yīng)力等影響因子，加之結(jié)合累積損傷理論對結(jié)構(gòu)或零部件進行疲勞計算[9]。

2.1 16MnⅡ的S-N曲線

查表[10]可以得到材料不同存活率下的壽命均值、標(biāo)準(zhǔn)差。這里我們選取95%存活率的S-N曲線作為法蘭材料壽命計算的依據(jù)。

S-N曲線的最小二乘法的擬合方程為：

lg=a+blg(1)

式中為應(yīng)力值；b為應(yīng)力水平下對數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差；a為應(yīng)力水平下對數(shù)疲勞壽命均值；為循環(huán)加載次數(shù)。將a=21.0997，b=-6.6287代入上式，而零件的S-N曲線通過式（1）向下平移K所得。即：

lg=a+blg(K) (2)

其中K為疲勞強度降低系數(shù)，K可由公式（3）算出：

其中為疲勞缺口系數(shù)，-1為光滑試樣對稱循環(huán)的疲勞極限，-1=287 MPa，-1K為缺口試樣對稱循環(huán)的疲勞極限，-1K=164MPa，查表得表面加工系數(shù)=0.88，尺寸影響系數(shù)=0.6[11]，算出K=3.14，所以，修正后的S-N曲線（圖6）方程為：

lg=21.0997-6.6287g3.14(5)

圖6 修正16MnⅡS-N曲線

圖7 蒸壓釜疲勞壽命圖

圖8 蒸壓釜安全系數(shù)圖

2.2 蒸壓釜的疲勞分析

根據(jù)靜力學(xué)分析的結(jié)果對蒸壓釜實施疲勞分析。承受恒定振幅載荷作用的法蘭在Fatigue Tool中選取zero-based載荷類型，Goodman平均應(yīng)力修正理論，添加安全系數(shù)、壽命等項。

疲勞壽命云圖顯示了釜蓋法蘭承受疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，從圖4和疲勞壽命等值線（圖7）可以看出，釜蓋法蘭為高應(yīng)力低循環(huán)疲勞破壞零件。釜蓋法蘭在工作過程中受到最大應(yīng)力幅是140.51 MPa，由圖7可知，蒸壓釜上任意一點在該應(yīng)力幅值下的循環(huán)次數(shù)都小于106。

蒸壓釜工作一次的cycle time為8 h，一個cycle加載卸載各一次，假定設(shè)計使用壽命8年，設(shè)備整年不停機，則載荷循環(huán)次數(shù)為：=2×8×363×3=17520

查JB4732-1995在140.51 MPa的應(yīng)力幅值下的許用循環(huán)次數(shù)的曲線圖。查圖可知，在140.51 MPa下16 MnⅡ材料對應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)N>106，所以<N，說明最高應(yīng)力幅值下的疲勞強度下釜蓋法蘭疲勞強度仍然滿足設(shè)計需求。

失效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值反應(yīng)的是材料的安全系數(shù)（圖8）。安全系數(shù)大于1.6735，不小于1.5，設(shè)計安全[12]。安全系數(shù)最小區(qū)域在釜蓋法蘭齒根與齒尖，與釜蓋法蘭的最大應(yīng)力位置一致。

3 結(jié)論

利用ANSYS Workbench對蒸壓釜進行了靜力學(xué)分析，得到了工作時的應(yīng)力分布圖，進而基于靜力學(xué)分析結(jié)果，使用疲勞模塊對蒸壓釜展開了疲勞壽命計算研究。從研究蒸壓釜靜力學(xué)下的應(yīng)力云圖，能夠得到蒸壓釜的脆弱點位于法蘭齒根部與牙尖，符合現(xiàn)狀。使用Fatigue Tool疲勞模塊對蒸壓釜的疲勞壽命實施計算，結(jié)論顯示蒸壓釜為高應(yīng)力低循環(huán)疲勞破壞零件，安全系數(shù)大于1.6735，不小于1.5，證明蒸壓釜結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。綜合蒸壓釜壽命、安全系數(shù)與靜力學(xué)分析，得到蒸壓釜安全系數(shù)最小易發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域在法蘭齒根、齒根側(cè)面和齒尖，設(shè)計人員在設(shè)計時可以在齒根處增加過渡圓角，使齒的結(jié)構(gòu)更加合理，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

[1] 蘇世卿,劉雪東,李柏賢.基于Pro/E與Workbench的超大型蒸壓釜壁厚優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2015(5):249-252

[2] 李習(xí)波,焦楚杰.高溫下混凝土SHPB試驗研究[J].混凝土,2015(5):23-25,33

[3] Nassif AY. Post firing stress-strain bysteresis of concrete subjected to various heating and cooling regimes[J]. Fire and Materials, 2002(26):103-109

[4] Georgali B, Tsakiridis PE. Microstructure of fire-damaged concrete, a case study[J]. Cement and Concrete Composites, 2005,27(2):255-259

[5] 郭德生,張瑞紅,王楠,等.管樁行業(yè)能耗特點與節(jié)能減排途徑[J].節(jié)能,2011(3):13-16

[6] 薛云龍,張振東.電磁風(fēng)扇離合器的彈片疲勞壽命分析[J].制造業(yè)自動化,2012(2上):39-40,101

[7] 王碧石,孫黎,王春秀.風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱扭力軸的疲勞分析[J].機械設(shè)計與制造,2009(9):155-157

[8] 王樂勤,黃載生,朱國輝,等.大型蒸壓釜法蘭計算與使用壽命分析[J].壓力容器,1990,7(4):41-47

[9] 李彥振,王義亮,楊兆建.掘進機星輪機構(gòu)的疲勞分析[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2015,36(3):77-80

[10] 機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊編委會.機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003

[11] 趙少汴,王忠保.抗疲勞設(shè)計—方法與數(shù)據(jù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997

[12] 李建國,壽比南.JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》綜述[J].壓力容器,1995,12(4):271-281

The Analysis on Fatigue and Structural Mechanics of the Autoclave

YANG Jin, YANG Zai-guo, XUE Dong, DU Ming-xing*

225300,

Autoclave as the research object, this article uses the Proe software established the 3 d model of autoclave with a nominal diameter of 2000 mm. The statics analysis of autoclave had carried out by using ANSYS Workbench, obtained the stress distribution and intuitively show the stress concentration area. Based on the results of the stress analysis, using the Fatigue Tool, the fatigue life of kettle cover flange was predicted. The most prone to fatigue damage location of autoclave was got after analyzing the cloud of fatigue life and safety coefficient. That provides the reference for the further optimization.

Autoclave; Structural mechanics; fatigue characteristic

TH49

A

1000-2324(2019)05-0825-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.018

2018-09-18

2018-10-26

楊進(1963-),男,本科,高級工程師,主要研究方向為過程裝備結(jié)構(gòu)完整性. E-mail:2469933568@qq.com

Author for correspondence. E-mail:dumx248@163.com