真空高壓燒結(jié)爐應(yīng)力分析及疲勞評定

呂明 薛守文 任曉兵 盧巍 張佰運 李想 董鑫

摘? ? ? 要： 對石油化工企業(yè)中常用的真空高壓燒結(jié)爐卡箍組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS應(yīng)力分析及疲勞評定，通過對結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的確定，根據(jù)GB/150.3標(biāo)準(zhǔn)確定了主要部位的厚度尺寸;結(jié)構(gòu)分析中約束筒體端部軸向位移，對稱面施加對稱約束;爐蓋齒面、齒圈齒面、筒體法蘭齒面之間設(shè)置為摩擦接觸，從而確定應(yīng)力最大位置，結(jié)果評定為合格;根據(jù)設(shè)備使用年限和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了該組件的疲勞分析評定，結(jié)果也是合格的。

關(guān)? 鍵? 詞：卡箍組件;厚度計算;應(yīng)力分析;疲勞評定

中圖分類號：TQ052? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2071-04

Abstract： ANSYS stress analysis and fatigue assessment of the clamp component structure of vacuum high pressure sintering furnace commonly used in petrochemical enterprises were carried out. Through the determination of the structure-related parameters， the thickness of the main parts was determined according to the GB/150.3 standard. The axial displacement of the end of the cylinder was restricted in the structural analysis， and the symmetrical plane imposed a symmetrical constraint. The tooth surface of the furnace cover， the tooth surface of the ring gear， and the tooth surface of the cylinder flange were set as frictional contact to determine the position of the maximum stress. The fatigue analysis and evaluation of this component were carried out according to the service life of the equipment and the number of cycles， and the results were acceptable.

Key words： Clamp assembly; Thickness calculation; Stress analysis; Fatigue assessment

帶有卡箍快開結(jié)構(gòu)的壓力容器根據(jù)其特有屬性操作簡單，可以承受高壓，因此廣泛使用在各個行業(yè)領(lǐng)域中，例如在化學(xué)領(lǐng)域中使用的壓力燒結(jié)爐，制藥企業(yè)在煉制中使用的倒錐形制藥提純罐，食品行業(yè)中制作罐頭時使用的滅菌罐。由于帶有卡箍快開結(jié)構(gòu)的壓力容器其屬性特殊，使用中受力情況復(fù)雜，所以在進(jìn)行設(shè)計、制造、安裝整個過程要全面管控，并嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，從而避免以后使用時出現(xiàn)事故。

常規(guī)設(shè)計中卡箍快開結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算通常都是根據(jù)以往的經(jīng)驗來分析計算，對結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸的位置不能有效地進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計，所以在制造過程中往往會浪費多余材料，導(dǎo)致成本過大，因此非常有必要使用ANSYS進(jìn)行分析設(shè)計。

1? 燒結(jié)爐基本概況

1.1? 結(jié)構(gòu)介紹

真空高壓燒結(jié)爐主要用于燒結(jié)某些硬度較高的合金，通常是在熔點很高的粉末狀金屬中將其燒結(jié)至一定形狀。燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)的安全性是保證生產(chǎn)穩(wěn)定的重要指標(biāo)，該真空高壓燒結(jié)爐主要是由爐蓋、齒圈、卡箍、筒體、法蘭等組成[3]。由于齒嚙卡箍結(jié)構(gòu)承壓能力較高、操作上簡便，所以這種齒嚙卡箍結(jié)構(gòu)常常在制造燒結(jié)爐中使用。對于其在使用過程中外在條件的復(fù)雜和多變，設(shè)計該結(jié)構(gòu)時就應(yīng)對其強(qiáng)度嚴(yán)格按照分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算，從而保證設(shè)備運行穩(wěn)定性。本文以某企業(yè)真空高壓燒結(jié)爐為例，計算應(yīng)力強(qiáng)度和疲勞評定。

1.2? 設(shè)備特點

1）設(shè)備外觀新穎，外殼由高溫噴塑工藝技術(shù)制備。

2）保溫性能較好，在設(shè)備保溫過程中功率不到總功率的30%。

3）真空度可以達(dá)到10-1 Pa。

4）可以加入多種混合氣體及抽真空，爐頂及爐門水冷。

5）工作溫度可以達(dá)到1 700 ℃。

2? 燒結(jié)爐組件相關(guān)參數(shù)

2.1? 設(shè)計參數(shù)及計算工況

燒結(jié)爐卡箍組件相關(guān)設(shè)計參數(shù)及計算工況如表1和表2所示。

卡箍組件在進(jìn)行應(yīng)力分析時必須要想到這兩種載荷情況，即設(shè)計載荷工況和操作載荷工況。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]，在分析考慮到涵蓋二次應(yīng)力強(qiáng)度相應(yīng)組合應(yīng)力強(qiáng)度時，應(yīng)該考慮操作載荷來分析計算，本文中選用設(shè)計載荷來分析計算，這是出于對計算結(jié)果相對安全的角度來考慮的。

根據(jù)JB 4732—1995中3.7.1.2條規(guī)定，水壓試驗時所研究結(jié)構(gòu)上任何點的壓力（包括液柱靜壓力）未超過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計算得出的試驗壓力的6%時，可以免除水壓試驗工況下強(qiáng)度校核。

2.2? 材料性能參數(shù)

參考GB/T150.2標(biāo)準(zhǔn)中材料性能指標(biāo)，并且泊松比取值0.3[2]。性能參數(shù)表如表3所示。

3? 卡箍組件厚度計算

利用GB/T150.3[2]的有關(guān)計算公式求得各個結(jié)構(gòu)厚度，因為介質(zhì)密度較小，不考慮介質(zhì)靜壓力。另外，建模厚度取成形后的最小厚度，內(nèi)筒體考慮雙面腐蝕。

3.1? 筒體厚度

3.2? 夾套厚度

4? 分析計算

4.1? 實體模型及網(wǎng)格劃分

采用ANSYS分析軟件，使用N-mm-MPa單位制，根據(jù)模型的受力特點，選取燒結(jié)爐的局部結(jié)構(gòu)，建立1/4模型進(jìn)行分析，所研究的結(jié)構(gòu)選取有效厚度，軟件中提供的三維二階等參元單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]。所研究的結(jié)構(gòu)模型及相應(yīng)的網(wǎng)格劃分如圖1和圖2所示。

4.2? 邊界條件

結(jié)構(gòu)分析中約束筒體端部軸向位移，對稱面施加對稱約束;爐蓋齒面、齒圈齒面、筒體法蘭齒面之間設(shè)置為摩擦接觸;殼體內(nèi)壓為10.5 MPa，夾套內(nèi)壓0.05 MPa。

5? 應(yīng)力分析結(jié)果與評定

5.1? 分析結(jié)果

卡箍組件應(yīng)力最大值是在爐蓋齒根的位置，應(yīng)力值是556.72 MPa?？傮w應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示，路徑選取如圖4至圖6所示。

5.2? 結(jié)果評定

根據(jù)JB 4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》把研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大處運用相關(guān)等效線性化處理的辦法，對選取截面上所受的應(yīng)力進(jìn)行分解，并分別歸入一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力[5-6]。應(yīng)力強(qiáng)度值要小于各自的許用值。為簡化計算，偏安全考慮二次加一次應(yīng)力強(qiáng)度使用設(shè)計載荷下條件進(jìn)行評定，評定結(jié)果如表4所示。

6? 疲勞校核

設(shè)計工況2產(chǎn)生的應(yīng)力比較小，與設(shè)計工況1相比可忽略不計，只在疲勞強(qiáng)度校核時計入，并且在疲勞分析時，結(jié)構(gòu)的操作工況在9.8 MPa到-0.1 MPa之間循環(huán)，操作工況1與操作工況2相減后為最危險的疲勞工況，為了簡化計算結(jié)果，以設(shè)計工況1與設(shè)計工況2相減后為最危險的疲勞工況，這對于分析結(jié)果也是安全的。

分析從安全的角度考慮，取值100 ℃時材料的彈性模量Et=197 000 MPa修正應(yīng)力幅值。設(shè)備使用壽命15年內(nèi)要進(jìn)行運行N=6 000次，組件中爐蓋齒根的最大應(yīng)力強(qiáng)度值為556.7 MPa。

根據(jù)JB 4732—95表C-1中所列，對應(yīng)于S-N曲線允許循環(huán)次數(shù)n=6 725次，即n>N。

7? 結(jié) 論

通過以上局部模型的應(yīng)力強(qiáng)度分析和疲勞計算表明，該真空高壓燒結(jié)爐齒嚙式卡箍連接件能滿足標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的應(yīng)力強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度要求，在設(shè)計壽命期內(nèi)可以安全使用[7]。

爐蓋與爐體在受到內(nèi)部應(yīng)力情況下發(fā)生膨脹，并且在與卡箍結(jié)構(gòu)連接位置具有較強(qiáng)的彎曲應(yīng)力，但是很快應(yīng)力隨之衰減。

通過分析計算可以得知，文章中所研究的真空高壓燒結(jié)爐還有部分裕量，如果考慮經(jīng)濟(jì)效益方面仍可以進(jìn)一步采取優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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[5]丁伯民. 鋼制壓力容器[M]. 上海：華東化工學(xué)院出版社，1992.

[6]呂明，張佰運，王勇.燒結(jié)爐卡箍快開結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].當(dāng)代化工，2014，43（5）：773-775.

[7]丁伯民.鋼制壓力容器設(shè)計、制造和檢驗[M].上海：華東化工學(xué)院出版社，1992.