李 淑 云

（撫順榮盛機(jī)械制造有限公司，遼寧 撫順 111419）

開孔在壓力容器設(shè)計中是不可避免的,開孔除削弱器壁的強(qiáng)度以外,在殼體和接管連接處破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力,給容器的安全帶來隱患.常規(guī)設(shè)計中,對容器的最大開孔直徑都有限制,如我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《壓力容器》，采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，規(guī)定圓筒開孔：當(dāng)其內(nèi)直徑Di≤1 500 mm 時，開孔最大直徑d≤Di/2 ，且d≤520 mm ；當(dāng)其內(nèi)直徑Di＞1 500 mm 時，開孔最大直徑d≤Di/3，且D≤1 000 mm 。承受內(nèi)壓的殼體，有時不可避免的要出現(xiàn)大開孔[1,2]。當(dāng)開孔直徑超過標(biāo)準(zhǔn)中允許的的開孔范圍時，孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力，因而不能采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算。目前對大開孔的補(bǔ)強(qiáng)常采用基于彈性薄殼理論解的圓柱殼接管補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積法和有限單元等方法進(jìn)行設(shè)計。

按照鋼制壓力容器分析設(shè)計規(guī)范中的應(yīng)力分類法，容器大開孔后引起的應(yīng)力有：局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的峰值應(yīng)力。這三種應(yīng)力對容器的破壞和加載方式密切相關(guān)，因此，在壓力容器設(shè)計中，必須對它們區(qū)別對待，并選擇合適的補(bǔ)強(qiáng)方法。針對某制造廠生產(chǎn)的夾套式容器的結(jié)構(gòu)特點，本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS，對容器大開孔接管部位進(jìn)行應(yīng)力分析，采用分析設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核，并與壓力面積法比較來驗證其安全性[3-5]。

1 有限元模型

1.1 模型建立

依據(jù)容器實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型，筒體總長2 180 mm，內(nèi)筒內(nèi)徑Di=1 840 mm，夾套內(nèi)徑D2=1 940 mm，在距離殼體一端1 451 mm的位置垂直于軸線開di=1 046 mm的圓孔，殼體內(nèi)部設(shè)計壓力P=1.76 MPa，夾套內(nèi)設(shè)計壓力P2=0.3 MPa ，設(shè)計溫度T=100 ℃，殼體名義厚度δ=25 mm，外筒名義厚度δ2=10 mm ，接管名義厚度δt=25 mm ，殼體、夾套和接管材料均為Q345R，設(shè)計條件下的許用應(yīng)力強(qiáng)度[σ]=188 MPa 。

充分考慮該容器結(jié)構(gòu)和載荷特點，選取殼體和開孔接管的1/2進(jìn)行分析，由于整個筒體兩端有不同的連接部件，分別簡化兩端結(jié)構(gòu)，建立模型，有限元模型如圖1所示。在內(nèi)筒內(nèi)外表面和夾套內(nèi)表面均勻施加作用的壓力，位移約束采用沿對稱剖分面的對稱約束，限制此方向上的自由度。采用四面體單元solid 20 node 95進(jìn)行網(wǎng)格劃并進(jìn)行應(yīng)力分析，單元材料的彈性模量E=2×105MPa ，泊松比μ=0.3。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite model

1.2 計算結(jié)果與分析

在壓力作用下，開孔部位應(yīng)力分布如圖2。

圖2 開孔部位應(yīng)力分布Fig.2 Openings stress distribution

應(yīng)力集中區(qū)域為接管和筒體連接部位，對此處定義多條路徑并提取應(yīng)力值進(jìn)行強(qiáng)度校核。按照分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB4732-95中的分析設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，即一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為1倍的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度；一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為 1.5倍的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度[6,7]。各分析路徑上具體的應(yīng)力強(qiáng)度評定如下：

內(nèi)筒和接管連接處一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

內(nèi)筒和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度：

夾套和接管連接處一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

夾套和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度：

2 壓力面積法分析計算

2.1 壓力面積分析法

壓力面積分析法是以受壓面積和承載面面積的力平衡為基礎(chǔ)的方法,即壓力在受壓面積上形成的總力與有效補(bǔ)強(qiáng)范圍中δ的殼體、接管和補(bǔ)強(qiáng)材料的面積所具有的承載能力相平衡[8]。工程上常用該法對開孔率超出等面積適用范圍的大開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)合圖3，壓力面積法的計算通式為：

Ap：補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)的壓力作用面積，mm2；

Aσ：殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)金屬的有效承載截面積 mm2；

[σ]：設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；

P：設(shè)計壓力 MPa；b：殼體上有效補(bǔ)強(qiáng)寬度；

h1：接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)有效高度，mm；

δ：殼體厚度，mm；

δt：接管厚度，mm；

c＇：接管壁厚附加量，mm；

c：殼體壁厚附加量mm。

2.2 壓力面積法計算結(jié)果

依據(jù)鋼制化工容器強(qiáng)度設(shè)計規(guī)定中的壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法對此大開孔進(jìn)行計算，其尺寸和材料和上一節(jié)相同（圖3）。

圖3 壓力面積法計算圖Fig.3 Calculation chart of pressure area method

接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)的有效高度：

殼體補(bǔ)強(qiáng)的有效寬度：

可見補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。

按照壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法相同的步驟對外夾套進(jìn)行強(qiáng)度計算，其強(qiáng)度也滿足要求。壓力面積法是建立在一次加載方式下靜力強(qiáng)度基礎(chǔ)上的補(bǔ)強(qiáng)方法。其補(bǔ)強(qiáng)范圍相對較小，具有密集補(bǔ)強(qiáng)的特點，可以有效降低開孔接管部位的應(yīng)力集中，從而相貫殼體部位更趨于安全，這也是壓力面積法常用于壓力容器大開孔的原因。

圖5 各類磨損顆粒掃描電子顯微鏡-能譜分析結(jié)果Fig.5 The SEM results of variable wear particles

4 結(jié)束語

（1）通過上述綜合分析結(jié)果判斷：發(fā)動機(jī)軸承存在異常的磨損，應(yīng)立即停止試驗。發(fā)動機(jī)分解后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸承的滾珠表面失去金屬光澤，有明顯的麻坑；內(nèi)外環(huán)跑道存在過熱灼燒的痕跡和磨損；保持架表面有輕微磨損。驗證了磨損顆粒綜合分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）光譜分析、自動磨粒分析、鐵譜分析、電子顯微鏡-能譜分析等四種技術(shù)各具特點、互為補(bǔ)充。綜合利用上述分析技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患，準(zhǔn)確判斷異常磨損部位，有效、快捷的進(jìn)行磨損故障的預(yù)先診斷，提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

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