蒸汽冷凝罐的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

趙昊 張樂(lè)

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模連年壯大，相應(yīng)的工業(yè)廢水量也在逐年增長(zhǎng)。電力、化工、冶金和食品等行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢水大多是高鹽廢水，被污水處理行業(yè)認(rèn)為是高處理難度廢水。高鹽廢水的直接排放行為已經(jīng)被環(huán)境保護(hù)部門明令禁止，可見(jiàn)其危害之大。先進(jìn)的MVR蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)可以高效地實(shí)現(xiàn)鹽分從水中分離，具有很好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。蒸汽冷凝罐是蒸發(fā)系統(tǒng)中使用量很大的必需設(shè)備，以此為例進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，探索有限元分析工具在MVR蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。

二、罐體概述

蒸汽冷凝罐是整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)中的工作設(shè)備之一，罐體內(nèi)的壓力由罐頂?shù)男箟洪y調(diào)節(jié)，始終保持與蒸發(fā)系統(tǒng)的其他設(shè)備壓力一致。由于主蒸發(fā)器為真空負(fù)壓，蒸汽冷凝罐體內(nèi)工作壓力也相應(yīng)為負(fù)壓。因此，蒸汽冷凝罐屬于真空容器，須采用GB150的外壓容器設(shè)計(jì)原則。罐體的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)罐體壁厚的計(jì)算是為了防止罐體在負(fù)壓作用下發(fā)生殼體失穩(wěn)。罐體的工作尺寸如表1所列。

1、壁厚計(jì)算

2、壓力試驗(yàn)計(jì)算

試驗(yàn)壓力值P=1.25Pc =0.125MPa。壓力試驗(yàn)允許通過(guò)對(duì)應(yīng)力水平[σ]≤0.9σs =405MPa。

三、有限元建模

1、建立三維模型

蒸汽冷凝罐的三維模型由專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件繪制，模型尺寸采用SI（mm）國(guó)際單位制，根據(jù)生產(chǎn)工藝圖紙1：1實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。依據(jù)GB150的要求，罐身材料選用具備耐腐蝕和高強(qiáng)度的2205標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼材質(zhì)。

2、建立有限元模型

有限元分析依據(jù)強(qiáng)度理論，將三維模型導(dǎo)入到ABAQUS有限元分析工具中，對(duì)表現(xiàn)宏觀應(yīng)力不起關(guān)鍵作用的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以突出主體工作部位工況條件下的力學(xué)響應(yīng)，同時(shí)提高計(jì)算速度。要建立蒸汽冷凝罐有限元分析模型，必須輸入必要的材料參數(shù)和邊界條件。再通過(guò)合理的網(wǎng)格劃分，對(duì)有限元模型進(jìn)行必要的前處理。

在有限元軟件中，也采用SI（mm）國(guó)際單位制，輸入罐體的材料參數(shù)。其中，罐身材質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼2205，由ASME規(guī)范的材料數(shù)據(jù)，常溫下該材料最小力學(xué)性能的數(shù)值如表2所列。高溫下（38～316℃）的最大許用應(yīng)力范圍是155～139MPa，熱膨脹系數(shù)（20～100℃）為1.3 e-5mm/℃。

ABAQUS軟件提供了非常方便高效的網(wǎng)格劃分手段，蒸汽冷凝罐體適用殼單元模型。蒸汽冷凝罐罐體的網(wǎng)格單元共計(jì)32 368個(gè)，節(jié)點(diǎn)共計(jì)32 756個(gè)。罐體與底座采用一維剛性連接，法蘭與罐體設(shè)置為共節(jié)點(diǎn)，劃分結(jié)果如圖2所示。

3、載荷與約束

為避免流體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的微觀力學(xué)響應(yīng)部分，將罐體內(nèi)部液體視為相對(duì)靜止。將罐體自重、液體的重力以及工況時(shí)負(fù)壓作為主要的宏觀力學(xué)考查因素。蒸汽冷凝罐所受載荷主要有三部分：第一部分為空載時(shí)罐體的自重；第二部分為靜水壓力，即水壓；第三部分為蒸發(fā)系統(tǒng)工作時(shí)抽真空帶來(lái)的負(fù)壓，即外壓。

四、結(jié)果分析

1、有限元分析

利用有限元軟件對(duì)模型受自重、水壓和負(fù)壓的綜合作用進(jìn)行計(jì)算。得到Mises應(yīng)力分布和位移分布云圖，Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，位移分布云圖如圖4所示。

從圖3中能夠清楚地看到應(yīng)力集中部位及其應(yīng)力值的大小。應(yīng)力最大部位發(fā)生在支座與罐體連接位置，即罐體底部支座與罐體接觸部位，最大Mises應(yīng)力為21MPa，如圖5所示。另一處應(yīng)力較大部位發(fā)生在罐體底部，Mises應(yīng)力17MPa，如圖6所示。兩處的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，證明罐體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠。

從圖4中可見(jiàn)，最大位移發(fā)生在罐體頂部的法蘭端部，最大位移量0.6mm，相較于罐體總尺寸而言，工況條件下的位移量非常小，可以忽略不計(jì)，證明罐體的設(shè)計(jì)剛度足夠。

2、強(qiáng)度校核

罐體在工況條件下，除了自重外，還有水重，這里合并計(jì)算，有限元模型提取罐體自重96.2kg，液體體積212L。

計(jì)算冷凝罐體負(fù)壓造成的外壓影響，即空氣對(duì)罐體外壁的壓強(qiáng)，然后將壓強(qiáng)作為載荷加載到壓力容器外表面。由于罐頂泄壓閥的調(diào)節(jié)作用，罐體內(nèi)的負(fù)壓始終保持與蒸發(fā)系統(tǒng)的壓力一致，因此不論罐體內(nèi)是空載還是滿載，負(fù)壓的影響不變。統(tǒng)計(jì)罐身處從罐底至罐頂?shù)膽?yīng)力和位移分布，如圖7所示。

綜合分析可知，罐體頂部由于抽真空的作用，負(fù)壓影響最大；罐體的底部因?yàn)槭艿焦摅w自重和液體重力的作用，重力影響最大。另外，上下封頭焊接處的剛度最強(qiáng)，應(yīng)力影響相對(duì)較小。綜合可見(jiàn)，在罐體頂部易產(chǎn)生失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，在罐體底部受力最大，易發(fā)生應(yīng)力集中。

五、結(jié)論

◎依據(jù)國(guó)標(biāo)GB150設(shè)計(jì)原則計(jì)算罐身的許用應(yīng)力，確定通用鋼板厚度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；

◎?qū)摅w進(jìn)行三維建模，并基于強(qiáng)度理論合理劃分網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；

◎根據(jù)設(shè)計(jì)和工況條件，確定邊界條件和載荷，模擬計(jì)算滿載時(shí)的罐體受力響應(yīng)；

◎通過(guò)模擬結(jié)果分析和強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)易發(fā)生失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的部位在罐體頂部、底部和支座連接處。但是經(jīng)過(guò)計(jì)算，危險(xiǎn)發(fā)生的概率非常低，幾乎可以忽略，進(jìn)而驗(yàn)證了罐體設(shè)計(jì)的合理性和有限元模型的有效性。