過(guò)濾器出水擋板的失效分析

李洪波，曲瑞波，徐少可，張 輝，侯宗宗

(洛陽(yáng)船舶材料研究所，中國(guó) 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

壓載水是保證船舶航行安全的重要措施，但壓載水的抽取與排放，勢(shì)必因攜帶大量微生物，而對(duì)環(huán)境造成污染。因此，國(guó)際海事組織大會(huì)通過(guò)了《船舶壓載水及其沉積物管理和控制的國(guó)際公約》[1]。該公約的制訂意味著國(guó)際航運(yùn)船舶，必須安裝壓載水處理系統(tǒng)，同時(shí)達(dá)到公約要求的排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，才能在所到港口國(guó)停泊。因此如何保證壓載水處理系統(tǒng)中，各配套設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，已成為眾多配套設(shè)備廠家的當(dāng)務(wù)之急。

過(guò)濾器為壓載水處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在壓載水處理過(guò)程中，過(guò)濾器設(shè)備中的組裝件—出水擋板發(fā)生了開(kāi)裂失效現(xiàn)象，如圖1所示。由于出水擋板的開(kāi)裂失效，導(dǎo)致了整個(gè)壓載水處理系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，迫使航運(yùn)船舶無(wú)法正常在所到港口國(guó)?？浚瑹o(wú)疑給船東帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)利益損失。為避免此類問(wèn)題的出現(xiàn)，保證壓載水處理系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，迫切需要對(duì)過(guò)濾器設(shè)備中的出水擋板進(jìn)行失效分析研究。本文采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)出水擋板的失效，進(jìn)行分析研究并提出了可行的優(yōu)化改進(jìn)方案。通過(guò)改進(jìn)，成功解決了出水擋板的失效問(wèn)題。

1 原因分析

1.1 受力分析

壓載水過(guò)濾器中的出水擋板位于過(guò)濾腔體與反沖洗腔體之間，將待過(guò)濾的海水與反沖洗后含有雜質(zhì)的污水分離隔開(kāi)。在過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，需要過(guò)濾的海水經(jīng)進(jìn)水口進(jìn)入過(guò)濾器，經(jīng)內(nèi)置于過(guò)濾器內(nèi)部濾筒的過(guò)濾，過(guò)濾后的海水再經(jīng)出水口流出，過(guò)濾時(shí)海水中懸浮的雜質(zhì)在濾筒的內(nèi)表面聚積。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，聚積在濾筒內(nèi)表面的雜質(zhì)逐漸增多并形成濾餅，造成濾筒內(nèi)外的壓力差。當(dāng)濾筒內(nèi)外的壓力差，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓差值時(shí)，過(guò)濾器啟動(dòng)自動(dòng)反沖洗功能，開(kāi)始自動(dòng)反沖洗。反沖洗過(guò)程中，過(guò)濾器內(nèi)的吸污管通過(guò)上下往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將聚積在濾筒內(nèi)側(cè)的雜質(zhì)污物清洗干凈，實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)自動(dòng)反沖洗的功能。過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

壓載水過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，出水擋板既受到過(guò)濾腔體內(nèi)部待過(guò)濾海水的壓力，又受到自動(dòng)反沖洗過(guò)程中，吸污管上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，受力情況較為復(fù)雜。出水擋板在過(guò)濾器的正常運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生開(kāi)裂失效，足以說(shuō)明出水擋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足實(shí)際工況的需求。需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核或有限元仿真分析。

1.2 材料分析

由于工程塑料具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能良好的特點(diǎn)，工程塑料已在工程設(shè)計(jì)中，可替代金屬作某些機(jī)械構(gòu)件或其他特殊用途的材料。常用的工程塑料有聚酰胺6(尼龍)、聚甲醛、ABS、酚醛樹(shù)脂等[3]。

ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯組成的三元共聚物，具有優(yōu)異的抗沖擊性能和耐低溫性能、表面光澤性好、易加工成型、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，是一種用途廣泛的熱塑性工程塑料。ABS的拉伸強(qiáng)度一般在35～50MPa，拉伸強(qiáng)度受溫度影響較大，隨溫度升高而明顯下降。拉伸過(guò)程中產(chǎn)生屈服點(diǎn)，表現(xiàn)一定的韌性[4-5]。

為便于過(guò)濾器的安裝與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)裝配零件的輕量化需求，出水擋板的材料在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了ABS塑料。過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，由ABS材質(zhì)制成的出水擋板，發(fā)生了開(kāi)裂失效現(xiàn)象。經(jīng)初步分析，應(yīng)是出水擋板在實(shí)際工況運(yùn)行過(guò)程中，所承受的應(yīng)力超過(guò)了其彈性極限，ABS塑料中的橡膠粒子為分散應(yīng)力集中點(diǎn)，在橡膠粒子界面上出現(xiàn)微裂紋，發(fā)生白化，同時(shí)吸收應(yīng)力。隨著應(yīng)力的逐漸增大，微裂紋會(huì)在應(yīng)力集中點(diǎn)形成裂紋，最終導(dǎo)致開(kāi)裂失效。

1.3 有限元仿真分析

針對(duì)出水擋板的失效問(wèn)題，在三維建模軟件Pro/E中，建立了出水擋板的三維模型，再將所建模型保存為stp文件格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench18.0中。

在有限元分析軟件中，對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行前處理工作，完成單元網(wǎng)格大小、網(wǎng)格類型的設(shè)置，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型。再根據(jù)出水擋板的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)出水擋板施加載荷及約束等邊界條件，并進(jìn)行求解。

通過(guò)仿真求解，得到出水擋板的應(yīng)力分布圖及位移變形圖，如圖3、圖4所示。

從應(yīng)力分布圖中可以看出，出水擋板的最大應(yīng)力，恰好出現(xiàn)在出水擋板中部，用于固定軸套的螺栓孔處，與出水擋板實(shí)際發(fā)生斷裂失效時(shí)的趨勢(shì)較為吻合。仿真分析計(jì)算所得到的最大等效應(yīng)力值達(dá)到了58.559MPa，局部區(qū)域的應(yīng)力值已明顯超過(guò)了材料的極限屈服強(qiáng)度值50MPa；從位移變形圖中可以看出，出水擋板中部的螺栓孔位置，完全處于位移變形的最大區(qū)域，在該區(qū)域螺栓孔的邊緣處易于形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成潛在的微裂紋產(chǎn)生。

2 優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)上述分析，決定對(duì)出水擋板的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體措施如下：

結(jié)構(gòu)方面：調(diào)整出水擋板中部螺栓孔的位置，使其遠(yuǎn)離位移變形的最大區(qū)域，同時(shí)在位移變形的最大區(qū)域，增加蓋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

依據(jù)改進(jìn)方案，再次對(duì)改進(jìn)后的出水擋板進(jìn)行有限元仿真分析，得到改進(jìn)后出水擋板的應(yīng)力分布圖，如圖5所示。從改進(jìn)后出水擋板的應(yīng)力分布圖中可以看出，此時(shí)應(yīng)力最大值為37.838MPa。改進(jìn)后出水擋板所承受的最大應(yīng)力明顯減小，改進(jìn)效果較為顯著。

材料方面：采用其他材質(zhì)的工程塑料進(jìn)行替換，依據(jù)工程塑料的力學(xué)性能及相關(guān)參考文獻(xiàn)[6-11]，選取聚酰胺6、聚甲醛(共聚)和酚醛樹(shù)脂三種材質(zhì)，作為出水擋板的預(yù)制材料。對(duì)預(yù)制的出水擋板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選擇綜合性能較好的材料，作為出水擋板的最終確定用材料。預(yù)選的三種工程塑料的力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示。

表1 聚酰胺6、聚甲醛及酚醛樹(shù)脂的力學(xué)性能

3 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)裝置由壓載水過(guò)濾器、4DSY-165/6.3型打壓泵、壓力傳感器和壓力表等設(shè)備組成。在水壓加載前，為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需將過(guò)濾器殼體內(nèi)部的氣體，通過(guò)排氣閥排空。加載時(shí)，壓力從0.2MPa開(kāi)始，每次壓力遞增0.1MPa，每次保壓10min，觀察并記錄壓力及出水擋板的變化情況。

試驗(yàn)結(jié)果及分析：

1)由聚酰胺6材料預(yù)制的出水擋板，當(dāng)水壓打至0.7MPa時(shí)，出水擋板出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；當(dāng)壓力打到1.3MPa時(shí)，出水擋板發(fā)生破裂，如圖6所示。

2)由聚甲醛(共聚)材料預(yù)制的出水擋板，壓力逐步升至1.5MPa時(shí)，未出現(xiàn)漏水、破裂現(xiàn)象，后經(jīng)反復(fù)多次驗(yàn)證，均未發(fā)生異常現(xiàn)象，如圖7所示。

3)由酚醛樹(shù)脂材料預(yù)制的出水擋板，當(dāng)壓力打至0.8MPa時(shí)，加強(qiáng)蓋板法蘭邊緣出現(xiàn)裂紋，并發(fā)生漏水現(xiàn)象，如圖8所示。

根據(jù)水壓試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，可以繪出三種預(yù)制材料的出水擋板，在打壓試驗(yàn)時(shí)的耐壓對(duì)比曲線，如圖9所示。通過(guò)試驗(yàn)的結(jié)果可知，由酚醛樹(shù)脂制成的出水擋板發(fā)生開(kāi)裂，這與酚醛樹(shù)脂屬脆性材料，彎曲性能差，易被折斷，抗沖擊強(qiáng)度較低的特性有很大關(guān)系。聚酰胺6材料的材質(zhì)韌性差，存在缺口沖擊強(qiáng)度低、缺口敏感的缺點(diǎn)，由該材料制成的出水擋板，在打壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生破裂現(xiàn)象，也與該材料的本質(zhì)特性有關(guān)。采用聚甲醛材料制成的出水擋板，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，均未出現(xiàn)漏水、開(kāi)裂現(xiàn)象，綜合性能較好，決定選用該材質(zhì)作為出水擋板的替代材料。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文從壓載水過(guò)濾器中出水擋板的開(kāi)裂失效問(wèn)題出發(fā)，采用有限元分析的方法，對(duì)出水擋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過(guò)分析得出，出水擋板中用于固定軸套的螺栓孔位置設(shè)計(jì)不合理，易于形成應(yīng)力集中，造成出水擋板的開(kāi)裂。

2)工程塑料的選用必須依據(jù)其本質(zhì)特性，在滿足結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行合理選擇。

3)通過(guò)對(duì)出水擋板的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行改進(jìn)，成功解決了出水擋板的失效問(wèn)題，同時(shí)為過(guò)濾器的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了必要保障。