含缺陷壓力容器的有限元分析和安全評定

陳其錦

（廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

燒結(jié)爐壓力容器作為粉末冶金行業(yè)的核心設(shè)備之一，由于燒結(jié)工藝要求，需要長期承受交變應(yīng)力，因而易產(chǎn)生包括裂紋在內(nèi)的各種缺陷。壓力容器內(nèi)、外表面不允許有裂紋，如果有裂紋，應(yīng)該打磨消除[1]。在處理裂紋打磨后形成的凹坑的實踐中，補焊存在較大困難時，鑒于并非所有超標(biāo)缺陷都會導(dǎo)致壓力容器立即失效[2]，可以考慮通過對含缺陷壓力容器進行有限元分析和安全評定的方式評價壓力容器的安全狀況。

1 設(shè)備概況

廈門某公司一臺進口燒結(jié)爐，主體結(jié)構(gòu)型式為夾套式，殼體設(shè)計壓力：-0.1～11 MPa，殼體設(shè)計溫度：5～150 ℃，殼體介質(zhì)：Ar、N2、H2、CH4、C3H8、CO2、CO，夾套設(shè)計工作壓力：0.7 MPa，夾套設(shè)計溫度：5～80 ℃，夾套介質(zhì)：水，內(nèi)筒材料：P460NH，厚度：40 mm，夾套材料：P265GH，內(nèi)徑：1240 mm。該設(shè)備自2015年1 月投用至今。

在對該燒結(jié)爐進行檢驗時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒體第一條環(huán)焊縫內(nèi)表面存在一處表面裂紋。經(jīng)打磨消除裂紋后，燒結(jié)爐內(nèi)筒體內(nèi)表面縱焊縫上存在一處長軸長度為105 mm、短軸長度為70 mm、深度為3.4 mm 的半橢球形凹坑，位置如圖1 所示。

圖1 燒結(jié)爐內(nèi)筒體內(nèi)表面縱焊縫凹坑位置

由于該燒結(jié)爐采用境外材料，由境外制造，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接及焊后熱處理均存在極大困難，補焊維修難度非常大。因此，根據(jù)實際情況，決定對該含缺陷燒結(jié)爐進行有限元分析和安全評定。

2 燒結(jié)爐爐體有限元分析

2.1 燒結(jié)爐整體建模

本次有限元分析對燒結(jié)爐筒體進行整體建模，整體模型包括支座、端蓋、卡箍、法蘭、夾套、內(nèi)筒體、抽真空口接管、出蠟口接管、電極口接管、支撐柱接管、熱電偶口接管、進氣口接管以及熱電偶口接管T1、T2，其中各部件之間的焊接處都按連續(xù)處理。正常使用工況下，施加載荷除了考慮內(nèi)壓外還考慮了物料重量，取最大值為500 kg 計算。本次有限元分析采用Solid185 單元進行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分。建立的整體模型如圖2 所示。

圖2 燒結(jié)爐整體模型

2.2 計算工況及材料性能參數(shù)選取

根據(jù)燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計使用工藝條件，對表1 所示4 種工況進行應(yīng)力分析，確定平面缺陷評定中所需應(yīng)力，進行缺陷的安全評定。本文僅以設(shè)計工況1 為例，介紹有限元分析及安全評定過程。設(shè)備材料性能參數(shù)見表2。

表1 計算工況

表2 材料性能參數(shù)

2.3 邊界條件設(shè)置及分析計算

經(jīng)過計算整理，對整體模型施加的邊界條件，在4 個支座底部施加全約束；對整體模型施加的載荷邊界為：筒體和接管中所有與操作介質(zhì)接觸面施加內(nèi)壓P1（11 MPa），溫度為150 ℃，夾套中所有與操作介質(zhì)接觸面施加壓力P2（0.7 MPa），溫度為80℃，抽真空口接管端部施加軸向載荷F1（7.58 MPa），出蠟口接管端部施加軸向載荷F2（2.84 MPa），電極口接管端部施加軸向載荷F3（2.32 MPa），熱電偶口接管端部施加軸向載荷F4（2.22 MPa），進氣口接管端部施加軸向載荷F5（0.72 MPa），熱電偶口接管T1、T2 端部施加軸向載荷F6（0.46 MPa），支撐柱接管端部施加的軸向載荷F7（2.64 MPa），外表面施加溫度20 ℃，如圖3 所示。采用映射網(wǎng)格劃分，對模型進行相應(yīng)的細(xì)化，得到網(wǎng)格劃分后的模型如圖4 所示。運用ANSYS 有限元分析軟件計算，得到燒結(jié)爐筒體各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力，如圖5所示。

圖3 燒結(jié)爐筒體邊界和載荷加載

圖4 燒結(jié)爐整體網(wǎng)格模型

圖5 燒結(jié)爐內(nèi)筒體各單元及焊縫的SINT 當(dāng)量應(yīng)力

由圖5 可知，燒結(jié)爐內(nèi)筒體各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力的最大值位于抽真空口開孔邊緣，為263.915 MPa。燒結(jié)爐內(nèi)筒體焊縫各單元的SINT 當(dāng)量應(yīng)力最大值位于環(huán)焊縫位置（靠近端蓋），為250.339 MPa。

定義分析路徑PATH1，位于燒結(jié)爐內(nèi)筒體環(huán)焊縫的缺陷位置，路徑PATH1 的方向都從內(nèi)筒體焊縫內(nèi)表面指向焊縫外表面，如圖6 所示。

圖6 燒結(jié)爐內(nèi)筒體縱焊縫缺陷位置及路徑分布

將SINT 當(dāng)量應(yīng)力分別映射到路徑PATH1 上并進行線性化，得到薄膜主應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等應(yīng)力的分布，如圖7 所示。路徑線性化得到的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力見表3。

表3 設(shè)計工況1 下路徑上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

圖7 燒結(jié)爐筒體路徑PATH1 應(yīng)力線性化分布

3 安全評定

3.1 潛在失效模式分析及評價方法確定

考慮凹坑是由于將焊縫表面裂紋打磨消除后形成的，本次評定將凹坑按平面缺陷進行評定處理，其評定結(jié)果偏于保守。由于設(shè)備工作溫度小于材料蠕變溫度，故可排除蠕變等失效模式；對凹坑缺陷以外部位厚度測量抽查顯示未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕減薄。因此本評定考慮潛在失效模式為靜態(tài)裂紋尖端因應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈塑性斷裂失效或因靜強度削弱導(dǎo)致的塑性失效，按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》中基于雙判據(jù)通用失效評定圖技術(shù)的常規(guī)評定方法進行評價。對于設(shè)計工況1，按標(biāo)準(zhǔn)中的失效后果嚴(yán)重確定各分安全系數(shù)，見表4。

表4 常規(guī)評定安全系數(shù)取值

3.2 斷裂力學(xué)計算

3.2.1 載荷比Lr的計算

式中，Pm為一次薄膜應(yīng)力，即np×180.8 MPa，得到Pm=226 MPa；Pb為一次彎曲應(yīng)力，即ns×121.2 MPa，得到Pb=121.2 MPa；a 為缺陷表征橢圓裂紋深度，即nc×H，得到a=3.74 mm；B 為計算壁厚，取實測厚度38.9 mm；ζ=；c=πRi。

3.2.2 斷裂比Kr的計算

式中，Qm為二次薄膜應(yīng)力，即，得到Qm=-133.5 MPa；Qb為二次彎曲應(yīng)力，即+1.6ΔT，得到Qb=379 MPa。

3.3 繪制失效評定圖

將評定點（Lr，Kr）繪制在通用失效評定圖（圖8），顯示該缺陷評定點位于失效評定圖的安全區(qū)。

圖8 燒結(jié)爐內(nèi)表面凹坑缺陷失效評定圖

4 結(jié)束語

通過有限元分析及安全評定，燒結(jié)爐凹坑缺陷在設(shè)計工況1 下的評定點位于失效評定圖的安全區(qū)，不影響設(shè)備在其正常設(shè)計使用工況下使用。本次有限元分析和安全評定，在確保設(shè)備安全使用的前提下，最大程度保障了企業(yè)利益。