某工程蒸壓釜橢圓封頭法蘭的計算

杜四宏

（中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450052）

[關建詞] 蒸壓釜；法蘭；應力分析

前言

某蒸壓釜使用的法蘭為齒嚙式法蘭，該法蘭沿圓周方向分布有均勻布置的齒，這種齒與齒的嚙合或者錯開可以使蒸壓釜的蓋快速的開或者關。正因為這種原因，這種齒與齒的嚙合或者錯開法蘭在蒸壓釜中應用非常廣泛。針對帶平封頭的齒嚙式法蘭，日本制定了《壓力容器快速開關蓋裝置》標準，我國制定了平封頭齒與齒的嚙合的化工標準 ，但還沒有凸形封頭齒與齒的嚙合的設計準則可以供選用[1]。這類法蘭主要適用于0.81～6.38MPa之間的工作壓力，200℃左右一般是它們的工作溫度。

在正常工況下，蒸壓釜的這種齒與齒的嚙合法蘭在嚙合面上的應力狀況是非常復雜的。本文對某蒸壓釜通過適用CONTACT單元對蒸壓釜齒與齒的嚙合法蘭進行應力計算，并在此基礎上對這種法蘭進行了強度評定。理論與實踐證明：按該方法設計的蒸壓釜法蘭能夠滿足規(guī)范中規(guī)定的強度要求，并能大大減低制造成本。

1 蒸壓釜上、下法蘭有限元模型

某蒸壓釜的結構由球冠形封頭、釜蓋上、下嚙合齒法蘭、釜體等組成。該蒸壓釜釜蓋上法蘭上均勻分布有40個齒，蒸壓釜釜體下法蘭上也均勻分布40個齒，蒸壓釜正常工作時，這40個齒是相互嚙合的。蒸壓釜釜蓋上法蘭與蒸壓釜釜體下法蘭的結構如圖1所示。

圖1 某蒸壓釜齒嚙法蘭

1.1 蒸壓釜設計參數

該蒸壓釜的釜體與其封頭的材料使用的是20R鋼板；該蒸壓釜上法蘭與下法蘭使用的材料為16MnII鍛件。該蒸壓釜的設計壓力1.6MPa，它的內直徑為2180mm；設計壽命為105次；設計溫度160℃；該釜內的介質為水蒸汽。

依據標準中的規(guī)定，20R鋼板和16MnII鍛件在工作溫度下的許用應力分別為132MPa和147MPa。材料的許用應力副為138MPa。

1.2 蒸壓釜上、下法蘭的有限元模型

該蒸壓釜上、下齒法蘭相嚙合的情況為廣義軸對稱問題。為方便以及節(jié)省資源，本文取蒸壓釜的一個齒進行計算，模型如圖2所示。蒸壓釜釜體的長度符合圣維南原理的要求。

圖2 蒸壓釜上法蘭與下法蘭接觸模型

在分析過程中我們認為，初始狀態(tài)下蒸壓釜上、下齒面是沒有相互作用力的。隨著工作壓力的增加，它們會有嵌入或者相對滑動發(fā)生。依據相關的計算原則，對該蒸壓釜確定好目標面與接觸面進行計算。 對于該蒸壓釜的計算，這里我們需要經過預估和不斷試算從而獲得FKN以及FTOLN的最合理計算數值。

計算中，我們采用增廣lagrange法來進行計算，即：將penalty function與lagrange乘子相結合來強制接觸協(xié)調。齒與齒之間的最大摩擦應力約等于δs/[2]。

1.3 蒸壓釜上法蘭與下法蘭載荷及位移邊界條件

蒸壓釜的內部受均布內壓作用。該蒸壓釜的位移邊界條件見圖3。圖中S為對稱約束，UY為Y方向（豎直方向）上約束。

圖3 蒸壓釜位移邊界條件

2 蒸壓釜力學計算結果

該蒸壓釜在內壓作用下的應力強度分布云圖如圖4所示。圖中用虛線與實線分別表示該蒸壓釜變形前后的形狀從而方便對比。從云圖以及變形軌跡可知：該蒸壓釜法蘭齒的齒跟周圍是應力高發(fā)區(qū)。

圖4 蒸壓釜應力強度分布云圖

根據我國的JB4732《鋼制壓力容器——分析設計標準》中的要求，本文采用線處理法[4]對該蒸壓釜應力強度最大處進行計算。該蒸壓釜的應力評定線如圖5中所示。其應力強度分布云圖如圖6所示。1-1、2-2為此次計算的應力處理線。

圖5 計算采用的蒸壓釜應力處理線

圖6 評定線1-1、2-2處的應力強度分布云圖

根據標準中的規(guī)定，一次總體薄膜應力強度 Pm≤1.0X Smt=147 MPa；一次局部薄膜應力強度PL≤1.5XSmt=1.5×147＝220.5 MPa；一次薄膜應力+一次彎曲應力強度Pm+Pb≤1.5XSmt＝1.5×147＝220.5 MPa；一次+二次應力強度Pm+Q≤3XSmt=3×147＝441 MPa；峰值應力強度Pm+Pb+Q+F≤2XSa＝2×138＝276 MPa。Smt表示材料的設計應力強度，單位為MPa；Sa為許用應力幅，單位為MPa。

按照圖5中選取的應力處理線根據標準規(guī)定進行應力強度評定，結果見表1。

表1 1-1與2-2應力分類線的應力強度評定

續(xù)表1 1-1與2-2應力分類線的應力強度評定

從上面表中的數據可知：

應力處理線1-1處的Pm計算值為90.8 MPa，Pm+Pb的計算值為172.8MPa，Pm+Pb+Q+F的計算值為259.6 MPa；應力處理線2-2處的Pm計算值為98.5 MPa，Pm+Pb的計算值為131.5MPa，Pm+Pb+Q+F的計算值為179.2 MPa。

3 結論

經過上面的力學計算與分析可以清楚：蒸壓釜嚙合齒均滿足標準中的規(guī)定。蒸壓釜上、下法蘭嚙合齒的齒跟部位是應力最大區(qū)，因此在進行工程設計時，這一部位應盡量采用適當半徑的圓弧或者經形狀優(yōu)化的曲線來減少該處的應力。