許紫洋 王學(xué)生 范強(qiáng)強(qiáng) 王建甫

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院）

0 引言

排料罐作為一種常見的過程設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。由于進(jìn)料過程并不連續(xù)，所以排料罐內(nèi)部受到周期性變化載荷的作用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，排料罐經(jīng)常發(fā)生疲勞失效，對生產(chǎn)造成了極大影響，尤其當(dāng)物料為易燃易爆或有毒物質(zhì)時，可能引發(fā)重大安全事故。因此，對排料罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對于節(jié)約成本和保障安全生產(chǎn)都具有很重要的實(shí)際意義。

某石化生產(chǎn)線中的聚乙烯排料罐在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)發(fā)生了失效。通過滲透檢測發(fā)現(xiàn)，支座墊板焊縫處的筒體已經(jīng)裂透，具體失效形式如圖1、圖2所示。

對該部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，設(shè)備的支座墊板沒有設(shè)置圓角，而根據(jù)JB/T 4712[1]中對耳式支座的規(guī)定，該設(shè)備的支座墊板應(yīng)設(shè)置圓角。又如圖2所示，右側(cè)焊縫的焊角高度未達(dá)到支座墊板厚度，且明顯比其余焊縫低。

因此，初步判斷引起失效的原因?yàn)椋?（1）耳式支座墊板未設(shè)置圓角，造成該處不連續(xù)性增大，應(yīng)力條件惡化； （2）焊縫質(zhì)量不過關(guān)，削弱了焊縫強(qiáng)度，造成應(yīng)力分布不均。

圖1 右側(cè)焊縫

圖2 筒體內(nèi)側(cè)

本文以該排料罐的失效事件為例，利用ANSYS軟件對其應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力導(dǎo)致失效的可能性。對比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況，提出了兩種可行的改進(jìn)措施，并對提出的措施進(jìn)行了有限元分析。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

排料罐結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中N1、N7為接管法蘭，K4為凸緣。設(shè)計(jì)依據(jù)參照TSG R0004—2009和JB/T 4732—1995[2-3]。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 有限元建模

利用ANSYS軟件模擬失效部位的應(yīng)力分布，驗(yàn)證可能的失效原因。

2.1 單元的選擇與建模

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用ANSYS[4]建立設(shè)備模型。針對設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單元全部采用帶有中節(jié)點(diǎn)的20節(jié)點(diǎn)三維等參元Solid 95進(jìn)行建模。

圖3 排料罐總體結(jié)構(gòu)

表1 計(jì)算模型的主要幾何尺寸

由于設(shè)備失效發(fā)生在耳式支座與筒體連接處，因此只對設(shè)備上部進(jìn)行建模分析。為了避免對螺栓和墊片進(jìn)行建模和設(shè)置，采取簡化計(jì)算。本文依據(jù)Waters法[5]的力學(xué)模型，利用GB 150中的計(jì)算公式，得到各法蘭和凸緣的螺栓力、墊片力，并將這些力施加在相應(yīng)位置。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和載荷的特點(diǎn)，在忽略重力和封頭接管位置影響的條件下進(jìn)行建模。由于設(shè)備具有對稱性，故取設(shè)備的1/8建立幾何模型，如圖4所示。通過驗(yàn)證，模型的網(wǎng)格數(shù)量足夠，計(jì)算精度滿足要求。

2.2 模型的邊界條件

利用GB 150.3中的有關(guān)公式，可求得操作工況下作用在法蘭上的墊片力和螺栓力。將有關(guān)作用力除以相應(yīng)的作用面積即可得到應(yīng)力，如表2所示。

施加如下位移邊界條件 （對于有限元模型，筒體的軸向?yàn)閅軸，橫向?yàn)閄軸，另一垂直橫向?yàn)閆軸）：

圖4 “四支座-墊板為直角”結(jié)構(gòu)的有限元模型

表2 施加在法蘭上的載荷

（1）在1/8和1/16有限元模型的兩個剖切面上施加對稱面約束，則模型在X和Z方向上沒有剛性位移。

（2）在耳式支座底板上施加軸向固定約束，則模型在Y向沒有剛性約束。

3 結(jié)果分析

從圖5可以看出，法蘭與筒體的連接部位以及焊縫處應(yīng)力較大。圖6為焊縫部位的應(yīng)力分布，可以看出焊縫處最大應(yīng)力為252.869 MPa。圖7為焊縫外緣的應(yīng)力分布曲線，該曲線上所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力平均值為130.46 MPa。焊縫處受到的應(yīng)力很高，而未設(shè)置圓角加劇了該處的幾何不連續(xù)性，造成了應(yīng)力條件惡化。若焊縫質(zhì)量達(dá)不到相應(yīng)要求，則當(dāng)工作載荷為交變載荷時，該處很容易發(fā)生失效。上述分析驗(yàn)證了本文引言中判斷的失效原因。

圖5 總體應(yīng)力分布

圖6 焊縫應(yīng)力分布

圖7 焊縫外緣應(yīng)力

4 改進(jìn)措施及有限元驗(yàn)證

4.1 耳式支座墊板設(shè)置圓角

在支座墊板上設(shè)置圓角，可以改善焊縫處的應(yīng)力分布。改進(jìn)后設(shè)備的有限元模型如圖8所示。

圖8 墊板圓角結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖9為支座墊板設(shè)置圓角后設(shè)備總體的應(yīng)力分布情況。圖10為焊縫部位的應(yīng)力分布，從中可以看出，焊縫的最大應(yīng)力為172.24 MPa，比原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力最大值減小約31.9%。由于設(shè)置了圓角，該處幾何不連續(xù)性降低，提高了焊縫的強(qiáng)度，從而使應(yīng)力分布情況得到很大改善。

圖9 墊板圓角結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力

圖10 墊板圓角結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力分布

圖11為焊縫外緣的應(yīng)力分布曲線，該曲線上所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力平均值為130.7 MPa。

圖11 墊板圓角結(jié)構(gòu)焊縫外緣應(yīng)力

4.2 增加耳式支座數(shù)量

在支座墊板上設(shè)置圓角的同時，通過增加支座數(shù)量可以進(jìn)一步降低應(yīng)力集中的程度。改進(jìn)后設(shè)備的有限元模型如圖12所示。

圖12 “八支座-墊板圓角”結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖13 “八支座-墊板圓角”結(jié)構(gòu)總體受力

圖14 “八支座-墊板圓角”結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力

圖13為對稱設(shè)置八個耳式支座后設(shè)備的總體應(yīng)力分布情況。圖14為焊縫部位的應(yīng)力分布，從圖中可以看到，焊縫受到的最大應(yīng)力為176.56 MPa，比原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力最大值減小約30.2%。本方案中，在墊板設(shè)置圓角的基礎(chǔ)上增加了支座的個數(shù)，設(shè)備和焊縫強(qiáng)度得到了提高，應(yīng)力分布情況得到很大改善。

圖15為焊縫外緣的應(yīng)力分布曲線，該曲線上所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力平均值為133.66 MPa。

圖15 “八支座-墊板圓角”結(jié)構(gòu)焊縫外緣應(yīng)力

圖16 三種結(jié)構(gòu)下焊縫應(yīng)力的比較

圖16為三種結(jié)構(gòu)下焊縫應(yīng)力的對比。由圖16可以看出，“四支座-墊板設(shè)置圓角”以及 “八支座-墊板設(shè)置圓角”結(jié)構(gòu)的焊縫應(yīng)力要遠(yuǎn)比墊板為直角的結(jié)構(gòu)低。因此，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠大幅度降低焊縫處的局部應(yīng)力，并提高設(shè)備使用壽命。

5 應(yīng)用效果與結(jié)論

改進(jìn)后的設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到化工生產(chǎn)中，且在穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度方面得到了很大改善。因此，本文有以下結(jié)論：

（1）支座墊板是否設(shè)置圓角對焊縫的強(qiáng)度有很大影響。設(shè)計(jì)制造時，應(yīng)嚴(yán)格按照J(rèn)B 4712中的要求對支座墊板設(shè)置圓角。如果不設(shè)置圓角，則將增加焊接部位的幾何不連續(xù)性，削弱焊縫的強(qiáng)度。

（2）焊縫質(zhì)量直接影響連接部位的強(qiáng)度。焊縫的尺寸一定要按照設(shè)計(jì)要求，焊接時要保證焊縫質(zhì)量，否則將會降低設(shè)備的使用壽命。

（3）適當(dāng)?shù)卦黾又ё鶖?shù)量，可以增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，降低各支座受到的載荷。

（4）對于此類問題，在進(jìn)行建模時可在支座墊板與筒體間設(shè)置一定的間隙，并進(jìn)行接觸設(shè)置，以更符合實(shí)際狀況。

[1] JB/T 4712—2007.容器支座[S] .北京：新華出版社，2007.

[2] TSGR0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S] .北京：新華出版社，2009.

[3] JB/T 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）[S] .北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M] .第2版.北京：中國水利水電出版社，2007.

[5] 王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計(jì) [M] .第3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.