超設(shè)計(jì)壽命的吸附塔的應(yīng)力分析

康曉鵬，宋利濱

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

1 引言

某醫(yī)院一臺(tái)吸附塔運(yùn)行年限已達(dá)到其設(shè)計(jì)圖紙中所給出的設(shè)計(jì)壽命，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)對(duì)該吸附塔本體的腐蝕速率較小，無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標(biāo)缺陷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為該吸附塔可進(jìn)行適當(dāng)?shù)难悠谑褂谩?/p>

為了評(píng)價(jià)該塔至下一個(gè)檢驗(yàn)周期（3a）內(nèi)能否正常安全運(yùn)行，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，依照J(rèn)B4732—1995對(duì)吸附塔進(jìn)行應(yīng)力分析并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。該吸附塔結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 吸附塔的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 吸附塔的基本技術(shù)參數(shù)表

2 潛在失效模式分析

根據(jù)該吸收塔的操作條件可知，該吸收塔操作工況為交變載荷，故存在疲勞失效模式；介質(zhì)操作溫度為常溫，故可排除蠕變失效模式；介質(zhì)為空氣和氮?dú)?，因此無(wú)須考慮應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的潛在失效模式確定為由交變載荷引起的疲勞失效或因凈強(qiáng)度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

3 設(shè)備評(píng)價(jià)參數(shù)

吸附塔的材料為Q235B，彈性模量192GPa，屈服強(qiáng)度235MPa，抗拉強(qiáng)度375MPa，泊松比0.3。預(yù)計(jì)下一檢驗(yàn)周期為3a，根據(jù)檢驗(yàn)情況可計(jì)算出吸附塔筒體有效壁厚為6.97mm，封頭有效壁厚為6.87mm。

4 應(yīng)力分析

采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，按照J(rèn)B4732—1995中規(guī)定對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。在對(duì)吸附塔進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定時(shí)，基于偏保守原則，將二次應(yīng)力歸于一次應(yīng)力考慮。由于該設(shè)備主要考察總體和局部靜強(qiáng)度及疲勞分析，故僅對(duì)下列3個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行校核[1]。

1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI小于1KSm；

2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII小于 1.5KSm；

3）一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SIII小于 1.5KSm。

其中Sm 為許用應(yīng)力，Q235B材料在常溫下的許用應(yīng)力為 113MPa；K是載荷組合系數(shù)，由于不考慮重力、風(fēng)載荷和地震載荷，此處 K 值取 1.0。

考慮到本設(shè)備的載荷分布和幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，并充分利用計(jì)算機(jī)資源，對(duì)可能由工作載荷引起高應(yīng)力部位進(jìn)行應(yīng)力分析，具體分析部位及模型類別如下所示：

（1）模型Ⅰ。分析部位：筒體+下封頭（如圖1所示）；模型形式：軸對(duì)稱模型。

（2）模型II。分析部位：筒體+接管（如圖1所示）；模型形式：1/4結(jié)構(gòu)靜力分析模型。

4.1 模型Ⅰ應(yīng)力分析

4.1.1 模型Ⅰ有限元模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)吸附塔模型Ⅰ幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和工作載荷的對(duì)稱性，分析時(shí)采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行應(yīng)力分析。其中筒體長(zhǎng)度取L=300m，筒體壁厚t=6.97mm，封頭壁厚t1=6.87mm。分析時(shí)選用8節(jié)點(diǎn)Plane82單元模擬吸附塔筒體及封頭結(jié)構(gòu)；采用Mapped方式劃分網(wǎng)格，為了保證計(jì)算精度，沿筒體及封頭壁厚方向劃分3層，劃分后的網(wǎng)格共含有單元600個(gè)，節(jié)點(diǎn)2 207個(gè)。

4.1.2 模型Ⅰ邊界條件

（1）位移邊界條件：約束筒體上端面Y方向位移為零（Y方向?yàn)樵O(shè)備筒體軸向方向）；

（2）力邊界條件：筒體和封頭內(nèi)表面施加工作載荷Pc=0.6MPa。

4.1.3 模型Ⅰ應(yīng)力分析結(jié)果及線性化結(jié)果評(píng)定

圖2 為工作壓力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度 SINT（第三強(qiáng)度理論）云圖和應(yīng)力線性化路徑圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)，在高應(yīng)力區(qū)部位建立了5個(gè)路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對(duì)路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類。表2為工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果。

圖2 模型I應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖及應(yīng)力線性化路徑圖

表2 工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果

4.2 模型Ⅱ應(yīng)力分析

4.2.1 模型Ⅱ有限元模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)吸附塔模型Ⅱ幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和工作載荷的對(duì)稱性，分析時(shí)建立其1/8結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。其中筒體長(zhǎng)度取L=300mm，筒體壁厚t=6.97mm，接管壁厚t2=3.5mm。分析時(shí)選用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體Solid95單元模擬吸附塔筒體及接管結(jié)構(gòu)；選采用Sweep（掃掠）方式劃分網(wǎng)格，為了保證計(jì)算精度，沿筒體及接管壁厚方向劃分3層，劃分后的網(wǎng)格共含有單元39 069個(gè)，節(jié)點(diǎn)197 125個(gè)。

4.2.2 模型Ⅱ邊界條件

（1）位移邊界條件：在模型Ⅱ各對(duì)稱面上施加對(duì)稱位移約束；

（2）力邊界條件：在筒體內(nèi)表面及接管表面施加最大工作載荷pc=0.6MPa，在筒體和接管軸向端面分別施加等效應(yīng)力載荷pd1=12.4MPa和pd2=1.71MPa。

4.2.3 模型Ⅱ應(yīng)力分析結(jié)果及線性化結(jié)果評(píng)定

圖2 為工作壓力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度 SINT（第三強(qiáng)度理論）云圖及應(yīng)力線性化路徑圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)，在高應(yīng)力區(qū)部位建立了2個(gè)路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對(duì)路徑下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分類。表3為工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果。

表3 工作壓力下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及評(píng)定結(jié)果

圖3 模型Ⅱ應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖及應(yīng)力線性化路徑圖

5 疲勞分析

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果可知，在工作壓力pc=0.6MPa載荷條件下，模型Ⅰ和模型Ⅱ最大應(yīng)力點(diǎn)分別出現(xiàn)在封頭過(guò)渡段內(nèi)側(cè)及筒體與接管連接內(nèi)表面上，最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為58.74MPa和74.67MPa。

吸附塔工作壓力波動(dòng)范圍為0～0.6MPa，即壓力波動(dòng)幅Δpc=0.6MPa，根據(jù)力的疊加原理可得，在該循環(huán)載荷工況下應(yīng)力最大點(diǎn)處的總應(yīng)力幅：

考慮到材料彈性模量后所對(duì)應(yīng)的交變應(yīng)力幅為：模型Ⅰ：

模型Ⅱ：

圖4為溫度不超過(guò)375℃的碳鋼、低合金鋼設(shè)計(jì)壽命曲線[1]。查圖4可知，模型Ⅰ和模型Ⅱ由交變工作載荷所引起的交變應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)均為無(wú)限，故吸附塔滿足至下一個(gè)檢驗(yàn)周期（3a）疲勞性能的要求。

圖4 溫度不超過(guò)375℃的碳鋼、低合金鋼設(shè)計(jì)壽命曲線

6 結(jié)論

基于以上應(yīng)力分析和疲勞分析結(jié)果，該吸附塔在操作壓力不超過(guò)0.6MPa，壓力波動(dòng)為0～0.6MPa，循環(huán)周期不低于120s/次條件下可以通過(guò)JB4732—1995標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)要求，可以繼續(xù)運(yùn)行3a的檢驗(yàn)周期，但使用單位在該吸附塔繼續(xù)運(yùn)行期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，避免壓力劇烈波動(dòng)。