焦仁雷,談樂斌,潘孝斌
(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)
爆破片是壓力容器、壓力管道的斷裂型安全泄放裝置。在規(guī)定的溫度下,當壓力容器內(nèi)的壓力達到爆破片的標定壓力時,爆破片會自行爆破,瀉放出壓力介質,但泄壓后壓力容器、壓力管道也中斷運行,以保障生命財產(chǎn)的安全[1~2]。隨著爆破片技術的快速發(fā)展,需要安裝爆破片裝置的壓力容器日益增多,而不同壓力容器的設計參數(shù)各不相同,為了保證爆破片在特定的設計壓力下準確爆破,每批爆破片裝置都必須針對特定的壓力容器進行設計,因此,設計任務非常繁重。由于爆破片的可靠性要求較高,采用傳統(tǒng)的設計方法,設計速度慢,效率低以及造成材料的浪費等缺陷。通過ANSYS軟件的有限元分析與優(yōu)化,理論結合實際,從而最大限度的將問題解決在設計階段,節(jié)省設計經(jīng)費,縮短設計周期,具有重要的現(xiàn)實意義。
正拱帶槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面?zhèn)?上加工有“十”字形減弱槽,在爆破壓力下,減弱槽處因強度不足而斷裂,整個拱面沿減弱槽掀起成為4瓣,如圖1所示。正拱帶槽型爆破片的最大特點是,爆破不產(chǎn)生碎片[3]。與其他正拱形爆破片相比,在一定爆破壓力下,允許的工作應力較高,疲勞強度較好。
爆破片能否達到預期的功能,能否真正保護壓力設備,配置、安裝與維護是非常重要的。爆破片可以單獨設置,作為唯一的安全泄壓設備,爆破壓力應不大于保護設備的設計壓力[3]。爆破片可以是并聯(lián)或者串聯(lián)設置,爆破片還可以與安全閥串聯(lián)或者并聯(lián)使用。當爆破片與安全閥串聯(lián)使用時,爆破片串聯(lián)在安全閥的入口側;而當爆破片與安全閥并聯(lián)使用時,爆破片串聯(lián)在安全閥的出口側,否則,安全閥將失去作用。爆破片安裝正確與否,對爆破片及其設備具有較大的影響。在實際應用中,爆破片安裝不當會造成安全事故[3]。因此,在使用爆破片過程中,不要損傷爆破片的拱面,因為拱形金屬薄片是爆破片的敏感元件,極易損傷。鑒于爆破片的安全性能對整個設備的重要性,所以要定期檢查、更換。
圖1 正拱帶槽性爆破片爆破前后狀態(tài)
圖2 正拱帶槽性爆破片的結構尺寸
在室溫下工作,材料選用SUS316,材料密度為7 930 kg/m3,坯料的厚度 S0=0.881 mm,槽寬 b=0.8 mm,d=80 mm,選 H/a=0.4[4],如圖 2 所示,其抗拉強度1 360 MPa,屈服強度820 MPa[11],彈性模量195 GPa,泊松比0.3,正常的操作壓力為0.2 MPa。正拱帶槽爆破片的爆破壓力可由下式估算[3~4]。
式中,
hc為剩余槽深;
R為拱頂處曲率半徑。
在拱頂高度H不很大時,可由式(2)確定
其中,K為材料常數(shù),取K=216.6 MPa。
當爆破片爆破壓力偏差<4%時,滿足設計要求。
由(2)公式知 R=58 mm,hc預定 =0.65 mm;由公式(1)知 Pb=0.42 MPa。
如果預拱的拱面為一厚度均勻的球面,當成形前后材料的體積不變時,成形前后材料的厚度關系式為[4]
由公式(3)知S=0.762 mm。為了方便建立模型,厚度均用0.762 mm。
為了滿足穩(wěn)定性能則有半球體臨界壓力[8~10]
式中,
E為彈性模量;
μ為泊松比。
由(4)式求得Pcr=0.41 MPa。當在正常操作壓力時,爆破片不發(fā)生失穩(wěn),滿足設計要求。
首先使用UC建立模型,根據(jù)對稱性,選擇爆破片的1/4建立幾何模型,如圖3所示。將此模型導入ANSYS中,選擇solid92體單元,該單元具有塑性,蠕變,膨脹,應力強化,大變形和大應變能力。定義材料屬性和設置溫度,劃分網(wǎng)格后的有限元模型,如圖4所示。加載求解,最后進行后處理。
圖3 爆破片三維幾何模型
圖4 爆破片有限元模型
(1)在正常操作壓力為0.2 MPa時,等效應力場等值線圖如圖5所示。在常溫下,材料的屈服強度為820 MPa,由ANSYS等效應力場等值線圖知,最大應力為655 MPa,在設備正常工作的條件下,爆破片能保證設備的安全性能。
(2)在設計爆破片壓力時,等效應力場等值線圖如圖6所示。由ANSYS等效應力場等值線圖知,最大應力為1 380 MPa,在室溫下材料的抗拉強度為1 360 MPa,最大應力大于材料的抗拉強度,能使材料發(fā)生破壞。
圖6 設計爆破片壓力等效應力場
通過對爆破片的有限元分析表明,ANSYS有限元分析軟件是對爆破片應力計算和分析的有效工具,得到的分析結果可以應用于實際工程中,有限元軟件為爆破片的設計及其優(yōu)化提供了可靠的依據(jù),與理論知識較好的匹配,對爆破片的結構設計和優(yōu)化提供了參考。通過對有限元軟件輔助分析,最大限度的降低設計成本,縮短設計周期。
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