舒安慶，陳西茜，鮑　沖，鄧　陸，魏化中武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205

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高溫高壓快開門壓力容器的強(qiáng)度評(píng)定及疲勞分析

舒安慶，陳西茜，鮑沖，鄧陸，魏化中
武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205

摘要：通過對(duì)快開門壓力容器的實(shí)際問題的本質(zhì)認(rèn)識(shí)和分析，建立了符合實(shí)際情況的高溫高壓快開門壓力容器的有限元分析模型，求得工作載荷下的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)危險(xiǎn)路徑進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定并對(duì)應(yīng)力峰值點(diǎn)進(jìn)行了疲勞分析.結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)參數(shù)的高溫高壓快開門壓力容器在工作狀況下同時(shí)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和疲勞要求.對(duì)高溫高壓快開門壓力容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，定期檢測維護(hù)等提供了參考.

關(guān)鍵詞：高溫；高壓；快開門壓力容器；強(qiáng)度評(píng)定；疲勞分析

1　引　言

快開門壓力容器具有開啟速度快、物料裝卸方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、石油、醫(yī)療、紡織、食品、航天、建材、造紙等工業(yè)領(lǐng)域，其工作壓力一般為0.8～6.4 MPa.隨著工業(yè)的需求和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫、高壓甚至超高壓快開門壓力容器也逐漸投入到生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中［1］.

快開門壓力容器需要頻繁啟閉，承受著升溫、升壓、降溫、降壓等循環(huán)工作載荷，局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下產(chǎn)生疲勞裂紋甚至發(fā)生疲勞破壞是快開門壓力容器的主要破壞形式之一［2］.隨著高溫高壓快開門壓力容器應(yīng)用日趨增多，它的頻繁使用對(duì)容器安全帶來新的問題：1）快開門壓力容器在高溫和高壓交互作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求；2）快開門壓力容器主要受壓部件受溫度、壓力等循環(huán)交變載荷的情況越來越多，局部發(fā)生疲勞的可能性增大.然而，在設(shè)計(jì)階段要檢驗(yàn)一個(gè)產(chǎn)品是否符合要求往往要做出系列樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品原件已經(jīng)遭到破壞，這樣不僅過程繁瑣而且造成極大的資源浪費(fèi)［3］，因此利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)內(nèi)徑為Φ1 100 mm、內(nèi)部工作溫度為800℃、工作壓力為15 MPa的高溫高壓快開門壓力容器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定和疲勞分析，以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證的不足，為找出高溫高壓快開式壓力容器結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制定定期檢測維護(hù)方案等提供參考.

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1快開門壓力容器強(qiáng)度評(píng)定及疲勞分析方法

2.1.1快開門壓力容器強(qiáng)度評(píng)定方法快開門壓力容器強(qiáng)度評(píng)定的目的是驗(yàn)證在高溫高壓環(huán)境下其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.其強(qiáng)度評(píng)定方法如下：1）確定分析工況；2）分析各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況；3）選取危險(xiǎn)截面并定義危險(xiǎn)路徑；4）將求解工況下的應(yīng)力映射到選取的危險(xiǎn)路徑上；5）提取應(yīng)力結(jié)果，并按照鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定.

2.1.2快開門壓力容器疲勞分析方法快開門壓力容器疲勞分析的目的是驗(yàn)證在高溫高壓條件下其結(jié)構(gòu)是否滿足疲勞設(shè)計(jì)要求，并通過疲勞分析確定結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱部位，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及制定定期檢測維護(hù)方案提供參考.利用ANSYS進(jìn)行疲勞分析的步驟如下：1）通過靜強(qiáng)度分析得到各波動(dòng)主應(yīng)力差的最大波動(dòng)范圍；2）在危險(xiǎn)點(diǎn)設(shè)置事件數(shù)及組成這些事件的載荷，保存這些位置上的應(yīng)力結(jié)果；3）參照鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)輸入材料的疲勞參數(shù)；4）在選定的位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)并給每個(gè)應(yīng)力循環(huán)定義比例系數(shù)；5）求解得到危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞累積使用系數(shù)［4］.

2.2快開門壓力容器有限元分析

2.2.1問題分析高溫高壓快開門壓力容器由上法蘭、下法蘭、上平蓋、下平蓋、上卡環(huán)、下卡環(huán)、筒體、夾套及輔助工具等組成.其工作原理如下：在筒體內(nèi)腔充入惰性氣體至一定壓力后停止加壓；對(duì)筒體內(nèi)部氣體加熱至800℃；此時(shí)容器內(nèi)壓力為15 MPa.裝置內(nèi)壁設(shè)有保溫隔熱層，外壁設(shè)有冷卻水夾套，因此筒體壁溫在200℃以下.整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　快開門壓力容器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of quick?opening pressure vessel

2.2.2快開門裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性快開門壓力容器主要設(shè)計(jì)基本參數(shù)如表1所示，材料性能參數(shù)如表2所示.

表1　快開門壓力容器主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1　Main design parameters

由于快開門模型具有對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取模型的1/3作為計(jì)算對(duì)象.快開門壓力容器幾何模型如圖2所示.對(duì)于快開門模型，選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid185、三維熱單元Solid70分別對(duì)實(shí)體模型中相應(yīng)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］，劃分結(jié)果為模型含單元171 761個(gè)，節(jié)點(diǎn)共55 188個(gè).快開門壓力容器網(wǎng)格模型如圖3所示.

表2　材料性能參數(shù)Tab. 2　Material property parameters

圖2　快開門壓力容器幾何模型Fig. 2 Geometric model of quick?opening pressure vessel

圖3　快開門壓力容器網(wǎng)格模型Fig. 3 Meshing model of quick?opening pressure vessel

2.2.3接觸設(shè)置在有限元分析中，當(dāng)兩個(gè)分離的表面互相接觸并互切時(shí)，就稱它們處于接觸狀態(tài).如果不同的部件之間沒有共節(jié)點(diǎn)或粘接在一起，有時(shí)還需要考慮相互之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦力的問題，就有必要在模型中定義接觸.當(dāng)施加載荷后，快開門壓力容器上、下卡箍與卡環(huán)的接觸面產(chǎn)生相互滑動(dòng)和擠壓，這種接觸可以定義為面與面的接觸問題［6］.因此在上平蓋、上法蘭及上卡環(huán)和下平蓋、下法蘭及下卡環(huán)之間分別定義兩組面?面接觸，接觸對(duì)目標(biāo)單元和接觸單元分別采用TARGE170和CONTA174.

2.2.4施加邊界條件根據(jù)該容器的受力特點(diǎn)，分別為模型施加對(duì)稱約束和位移約束、結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷.由于快開門壓力容器模型為1/3模型，需在各對(duì)稱面上施加軸對(duì)稱約束［7］.根據(jù)實(shí)際工作狀況，容器的工作壓力為15 MPa，因此在整體結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加大小為15 MPa的內(nèi)壓.共設(shè)置模型外表面與空氣和水兩種對(duì)流傳熱邊界，內(nèi)表面溫度設(shè)為容器可能到達(dá)的最高溫度200℃.在容器端面設(shè)置軸向位移約束.快開門壓力容器邊界條件如圖4所示.

圖4　快開門壓力容器邊界條件Fig. 4　Boundary conditions of quick?opening pressure vessel

2.3快開門壓力容器強(qiáng)度評(píng)定及疲勞分析

2.3.1快開門壓力容器強(qiáng)度評(píng)定分析結(jié)果表明，快開門壓力容器在工作狀況下筒體與上法蘭連接部位應(yīng)力最大，其大小為330.8 MPa.其他部位應(yīng)力仿真結(jié)果如表3所示.

分別選取結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位或有較高應(yīng)力集中的那些截面作為危險(xiǎn)截面，根據(jù)JB4732?2005第四部分應(yīng)力強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定.快開門壓力容器的23條危險(xiǎn)評(píng)定路徑如圖5所示，強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果如表4所示.

由表4的評(píng)定結(jié)果可以看出，按照鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，其23條路徑評(píng)定結(jié)果均為合格.

2.3.2快開門壓力容器疲勞分析產(chǎn)生疲勞破壞的主要因素包括：載荷的循環(huán)次數(shù)；每個(gè)循環(huán)的平均應(yīng)力；存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象.

1）快開門壓力容器有限元疲勞分析計(jì)算

高溫高壓快開門壓力容器的兩個(gè)循環(huán)事件分別為0～15 MPa的工作載荷循環(huán)（循環(huán)次數(shù)為10 000次）和0～20 MPa的水壓試驗(yàn)載荷循環(huán)（循環(huán)次數(shù)為30次），最高工作載荷為15 MPa、200℃，最低工作載荷為0 MPa、0℃；Sa值取為JB4732?2005中極限抗拉強(qiáng)度≤552 MPa的Sa值；應(yīng)力集中系數(shù)為1，水壓試驗(yàn)和實(shí)際工作狀況下的循環(huán)比例系數(shù)分別為1.34和1.1.快開門壓力容器的整體應(yīng)力波幅云圖及各部件應(yīng)力波幅圖如圖6所示.

表3　應(yīng)力分析結(jié)果Tab. 3　Stress analysis results

圖5　強(qiáng)度評(píng)定路徑圖Fig. 5　Diagram of strength evaluation path

由圖6可知，在壓力載荷和溫度載荷的共同作用下，該高溫高壓快開門壓力容器的應(yīng)力最大值位于上法蘭和筒體連接結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，最大應(yīng)力值為330.82 MPa，節(jié)點(diǎn)號(hào)為49 693.由ANSYS計(jì)算可得，累積使用系數(shù)值為0.304 84，小于1.0，容器不會(huì)發(fā)生疲勞失效.

2）快開門壓力容器疲勞理論計(jì)算

為進(jìn)一步驗(yàn)證ANSYA有限元軟件疲勞分析模塊的準(zhǔn)確性和可靠性，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB4732?1995（2005年確認(rèn)）通過計(jì)算疲勞累積系數(shù)與有限元疲勞分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.

表4　工作載荷下路徑評(píng)定結(jié)果Tab. 4　Evaluation results in work load path

圖6　整體應(yīng)力波幅圖Fig. 6　Integral stress wave amplitude

考慮實(shí)際正常工作循環(huán)與水壓試驗(yàn)循環(huán)這兩個(gè)應(yīng)力循環(huán)的疲勞累積損傷效應(yīng).

正常工作循環(huán)時(shí)：

壓力P＝15 MPa，溫度t＝200℃，產(chǎn)生應(yīng)力差值由0到330.84 MPa之間變換，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n1＝10 000.

波動(dòng)主應(yīng)力差的交變應(yīng)力強(qiáng)度為

水壓試驗(yàn)循環(huán)時(shí),壓力P＝20 MPa,溫度t＝20℃，產(chǎn)生應(yīng)力差值由0到440.02 MPa之間變換，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n2＝30.

波動(dòng)主應(yīng)力差的交變應(yīng)力強(qiáng)度為

利用設(shè)計(jì)疲勞曲線和精確插值公式［8］

計(jì)算得到Salt1、Salt2單獨(dú)作用時(shí)的允許循環(huán)次數(shù)N1＝32 982、N2＝18 190.工作載荷與水壓試驗(yàn)載荷應(yīng)力循環(huán)使用系數(shù)分別為：

計(jì)算累積使用系數(shù)為

通過理論計(jì)算結(jié)果U＝0.30與ANSYS分析結(jié)果U'＝0.304 84進(jìn)行對(duì)比，誤差為

由于理論方法計(jì)算氣壓釜所有節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值十分困難，目前尚無文獻(xiàn)可供參考，可利用ANSYS有限元仿真結(jié)果得到各點(diǎn)應(yīng)力幅值及其分布，通過提取危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值帶入JB4732精確插值公式中進(jìn)行理論計(jì)算，并將其理論值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.對(duì)比結(jié)果顯示，利用ANSYS疲勞分析模塊進(jìn)行疲勞失效分析與JB4732理論計(jì)算結(jié)果基本一致，可以得出結(jié)論：ANSYS疲勞分析計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性，JB4732為ANSYS疲勞仿真計(jì)算提供理論支撐，同時(shí)ANSYS疲勞仿真計(jì)算既能得到高的精度又能得到模型任意位置的疲勞累計(jì)次數(shù)，從而避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段的不足，兩者相輔相成，共同為設(shè)計(jì)提供可靠而有效的依據(jù).

3　結(jié)　語

通過對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行認(rèn)識(shí)和分析，才能建立與實(shí)際工作狀況相符并且求解精度較高的有限元分析模型.

通過對(duì)快開門壓力容器的有限元分析可以看出，快開門壓力容器在內(nèi)壓15 MPa、溫度800℃的工作條件下，筒體與上法蘭連接部位應(yīng)力最大，其大小為330.82 MPa.

對(duì)快開門壓力容器選取的23條危險(xiǎn)路徑依據(jù)鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明23條危險(xiǎn)截面路徑強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，且部分路徑強(qiáng)度有較大的余量.

對(duì)快開門壓力容器兩個(gè)循環(huán)事件條件下疲勞分析結(jié)果表明快開門壓力容器在節(jié)點(diǎn)號(hào)為49 693處的累積使用次數(shù)最大，其值為0.304 84小于1，分析結(jié)果證明高溫高壓快開門壓力容器滿足內(nèi)壓15 MPa、工作溫度800℃條件下的10 000次循環(huán)的設(shè)計(jì)要求.

對(duì)于此次分析的工作溫度800℃、工作壓力15 MPa、內(nèi)徑1 100 mm的高溫高壓快開門壓力容器，使用過程中應(yīng)重點(diǎn)檢查筒體與上法蘭連接部位、筒體與下法蘭連接部位、上卡環(huán)和下卡環(huán)等.

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本文編輯：陳小平

Evaluating Strength and Analyzing Fatigue of Quick?Opening Pressure Vessel Based on Finite Element Method

SHU Anqing，CHEN Xixi，BAO Chong，DENG Lu，WEI Huazhong
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：We constructed the finite element analysis model of quick open?door pressure vessel according to the actual situation. After getting the stress state in working loads，the strength of the dangerous path was evaluated and the fatigue of the peak point of the corresponding force was analyzed. The analysis results show that the design parameters of the high temperature and high pressure quick?opening pressure vessel meet both the design strength and fatigue requirements. This method provide a reference for the structural optimal plan and the develop?ment of regular inspection and maintenance programs for the high temperature and high pressure quick?opening pressure vessel.

Keywords：high temperature；high pressure；fast open?door pressure vessel；strength evaluation；fatigue analysis

作者簡介：舒安慶，碩士,教授. E-mail：shuanqing@wit.edu.cn

收稿日期：2015-11-02

文章編號(hào)：1674 - 2869（2016）01 - 0088 - 06

中圖分類號(hào)：TQ053

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 016