蒸壓釜快開裝置的疲勞分析及齒根裂紋修復(fù)

張 璇 銀川科技學(xué)院 銀川 750021

王 軍 銀川高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)總公司 銀川 750001

蒸壓釜是一種體積大，耐高壓，重量大的壓力容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。齒嚙式快開裝置是蒸壓釜工作的關(guān)鍵部位，在長期低周循環(huán)載荷下，壓力、溫度都在不斷的發(fā)生周期性變化，應(yīng)力集中較高、塑性變形較大的嚙合齒塊部位最先形成細(xì)小裂紋，裂紋的持續(xù)擴展使齒塊能傳遞或者承受的載荷越來越少，最終致使齒塊的斷裂失效，這種現(xiàn)象稱為容器疲勞破壞。針對這種情況，工業(yè)上多數(shù)采取的措施是對損傷的齒塊進行打磨修復(fù)，但是對齒塊修復(fù)的合理打磨量研究較少。所以本文借助ANSYS軟件對齒嚙式快開裝置進行疲勞分析，研究蒸壓釜在使用過程的齒塊裂紋成因、齒塊壽命以及齒根損傷的修復(fù)，為蒸壓釜的設(shè)計、制造與維護提供參考意見。

1 理想狀態(tài)下的疲勞分析

1.1 基本研究思路

在強度分析之后進行疲勞分析，需要先定義載荷事件以及材料疲勞特性，再計算各個載荷事件的疲勞壽命，由線性疲勞積累損傷準(zhǔn)則來評判是否發(fā)生疲勞。依據(jù)最小能量屈服準(zhǔn)則，將蒸壓釜復(fù)雜的受力狀態(tài)用一個等效應(yīng)力來替代。

1.2 蒸壓釜基本參數(shù)

本文所研究的蒸壓釜帶有球冠狀封頭，主要由齒嚙式快開裝置和釜體等結(jié)構(gòu)組成。具體參數(shù)見表1。

表1 蒸壓釜的基本參數(shù)表

蒸壓釜的一個工作周期(8小時)包含升溫、恒溫、降溫三個階段，見圖1。在重力載荷不變的情況下，內(nèi)壓起到主要作用。

圖1 內(nèi)壓循環(huán)圖

1.3 施加低周循環(huán)載荷

求解流程見圖2。

圖2 求解流程圖

1.4 疲勞分析及評定

通過時間歷程分析，確定了快開裝置在循環(huán)載荷的作用下隨時間線性變化的應(yīng)力情況，見圖3(a)、(b)。

圖3 循環(huán)載荷下的應(yīng)力云圖

應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力是研究疲勞壽命的關(guān)鍵，從圖3中提取最大應(yīng)力值，記下節(jié)點號，恢復(fù)后處理器中的數(shù)據(jù)庫。設(shè)定疲勞評定為一個位置、一個事件及兩個載荷。依據(jù)材料S-N曲線特性計算各種耗用系數(shù)，見表2。

表2 S-N數(shù)據(jù) (MPa)

設(shè)定載荷事件執(zhí)行20000次循環(huán)，載荷比例系數(shù)設(shè)為1，并采用“雨流”計數(shù)。疲勞評定選用第一主應(yīng)力值最大的節(jié)點的應(yīng)力強度值或應(yīng)力云圖中的最大峰值應(yīng)力，記為Smax=181.92MPa，見圖4。

圖4 第一主應(yīng)力云圖

交變應(yīng)力強度幅Sa可按下式(1)確定。

(1)

式中，E為Q345R的彈性模量；Et為Q345鍛件的彈性模量。

當(dāng)Smax=181.92MPa時，算得Sa=89.23MPa。根據(jù)JB4732-1995查表C-1知，蒸壓釜在該循環(huán)應(yīng)力幅下，允許循環(huán)次數(shù)最大為106次，大于設(shè)計值105次，故滿足疲勞強度。依據(jù)Miner疲勞損傷累積理論，在恒定應(yīng)力幅σ的作用下，蒸壓釜承壓工作循環(huán)次數(shù)為N時，將產(chǎn)生疲勞失效。若蒸壓釜在σ的作用下的的循環(huán)次數(shù)為n(n

(2)

由公式(2)得，當(dāng)損傷率總和達到1時，蒸壓釜就預(yù)測會出現(xiàn)疲勞失效。查看圖4，最大應(yīng)力節(jié)點的疲勞積累損傷系數(shù)為1.16097>1，說明在循環(huán)次數(shù)達到20000次時，裝置的強度已不能滿足疲勞強度的要求。

不同的循環(huán)次數(shù)對應(yīng)裝置的疲勞壽命,見圖5。

圖5 疲勞積累損傷系數(shù)圖

從圖5總結(jié)得出，積累損傷系數(shù)與循環(huán)次數(shù)呈正比例增長，增幅約為0.1/2000。17000次循環(huán)時的疲勞積累損傷系數(shù)已達到0.99，非常接近1.0，故蒸壓釜的疲勞壽命約為17000次循環(huán)，連續(xù)工作狀態(tài)下的使用壽命約為15年。

2 帶齒塊裂紋的疲勞分析

模擬快開結(jié)構(gòu)的齒塊裂紋用5mm的V型坡口來代替，建立有限元幾何模型,見圖6。

圖6 帶有裂紋的齒塊模型

對帶裂紋的快開裝置施加低周循環(huán)載荷的過程見本文1.3節(jié)，帶有裂紋缺陷的嚙合齒塊應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 帶裂紋的齒塊應(yīng)力圖

通過疲勞分析，讀取釜體法蘭齒根處的最大第一主應(yīng)力，強度值為Smax=197.83MPa。按式(1)算得：Sa=94.09MPa。在該循環(huán)應(yīng)力幅下，齒側(cè)部位的允許循環(huán)數(shù)約為5×105次，疲勞壽命大于設(shè)計值105次，滿足疲勞強度要求。但當(dāng)循環(huán)次數(shù)接近5500次時，疲勞積累損傷系數(shù)已經(jīng)很接近1，此時應(yīng)力最大值為583.27 MPa。若繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)，結(jié)構(gòu)會瞬間出現(xiàn)疲勞失效，產(chǎn)生折斷現(xiàn)象。因此,可以得出結(jié)論：當(dāng)蒸壓釜釜體齒根處出現(xiàn)裂紋時，疲勞壽命最長達到5年。

3 裂紋修復(fù)后的疲勞分析

按照技術(shù)要求，裂紋等缺陷是不允許存在的，所以必須通過人工機械加工的方法加以消除。釜體齒根缺陷修復(fù)圖見圖8。根據(jù)裂紋的深淺，對釜體齒根裂紋做不同尺寸的圓角打磨，圖8(b)中的齒根內(nèi)側(cè)凹坑即是打磨修復(fù)造成的。

圖8 釜體齒根缺陷修復(fù)圖

分別取不同的打磨尺寸d=25mm、30mm、35mm，沿齒塊徑向進行切割,見圖9。

圖9 不同打磨尺寸模型

經(jīng)過ANSYS有限元疲勞計算，對以上不同打磨尺寸進行列表匯總，見表3。

表3 不同打磨尺寸下的應(yīng)力變化表

從表3看出，隨著打磨尺寸的加深，最大第一主應(yīng)力先減小后增加，在圓角尺寸d為25～30mm時，最大第一主應(yīng)力明顯降低，疲勞循環(huán)次數(shù)顯著增加，裂紋損傷得到有效改善。根據(jù)以上規(guī)律和設(shè)計的應(yīng)力強度可知，允許的最大打磨尺寸為30mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

用ANSYS處理齒嚙式快開裝置的疲勞破壞問題，計算出疲勞積累損傷系數(shù)，能有效預(yù)測使用壽命。經(jīng)過模擬后得出結(jié)論：

(1)循環(huán)次數(shù)越多，磨損越重。齒嚙式壓力容器的最大應(yīng)力出現(xiàn)在釜體齒塊上，最大應(yīng)力值為405.673MPa，循環(huán)次數(shù)不超過17000次(約15年)，此時最大應(yīng)力節(jié)點的疲勞積累損傷系數(shù)為0.99。

(2)以釜體齒根處開V型坡口來代替釜體齒根處裂紋，模擬得到：在循環(huán)次數(shù)為6000時，疲勞積累損傷系數(shù)就已經(jīng)超過1；循環(huán)次數(shù)為5500次時，計算疲勞壽命約為5年，此時應(yīng)力最大值為583.27MPa。

(3)采用打磨的方式修復(fù)釜體齒根處裂紋，造成釜體齒根處出現(xiàn)凹坑。當(dāng)出現(xiàn)細(xì)小裂紋時，可以通過小尺寸的機械打磨的方式進行損傷修復(fù)。裂紋打磨前應(yīng)采用無損檢測技術(shù)確認(rèn)裂紋的深度和范圍，當(dāng)裂紋的深度較大時，不可采取大尺寸的打磨，否則結(jié)構(gòu)的機械強度大大降低，打磨后需再次進行無損檢測以保證修復(fù)的有效性。