鞏 樂，何德強，徐 澍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

我院于2012年給大連逸盛大化石化公司設計制造了3臺直徑4.2 m、長32 m的氧化蒸汽管干燥機，運行5年后，根據現場設備檢測人員反應，其中1臺干燥機前后滾圈處厚壁筒節(jié)表面萌生了程度不一的軸向、周向裂紋，如圖1所示。針對此現象，采用有限元軟件ANSYS進行有限元計算，探討裂紋萌生之原因，并給出預防措施及結構的改造。

圖1 滾圈處厚壁筒節(jié)萌生軸向/周向裂紋

1 模擬計算及裂紋原因分析

1.1 計算模型

對產生裂紋的厚壁筒節(jié)處滾圈及支撐結構進行技術分析，如圖2所示，滾圈熱套在固焊與筒體上的墊板上面，冷卻后與墊板處于過盈配合，防止?jié)L圈與筒體相對滑動以避免磨損；在每個墊板上緊貼滾圈兩側焊接兩個塊擋塊，防止?jié)L圈軸向竄動；筒體和滾圈等的全部重量由托輪支撐。各部件材料參數見表1，網格劃分見圖3。

圖2 松套式滾圈結構 圖3 模型網格劃分

1.2 載荷及邊界條件

干燥機機身總重為310 t，按20%填充的物料總重為93 t，凝液總重75 t；由于干燥機機身進行保溫，因此假設干燥機機身溫度均勻，約為 100 ℃，計算疲勞載荷時不考慮溫差應力。

表1 材料物性參數

此不考慮干燥機斜度及緩慢轉動，則結構軸向不受力，在總體柱坐標下，軸向(Z向)不進行約束，托輪內表面進行固定約束，墊板與滾圈內表面接觸類型及擋塊與滾圈側面接觸類型設置為無摩擦接觸，滾圈外表面與托輪外表面設置為不分離接觸。

1.3 許用疲勞應力

設計壽命為20年，每年工作按8 000 h計算，設備轉速為3.15 r/min，則疲勞應力循環(huán)次數為：20×8000×60×3.15=3.024×107。

許用疲勞應力按ASME 第Ⅷ卷第II冊附錄5 中圖5-110.1.1M疲勞設計曲線進行插值計算，得筒體材料316L、墊板材料16 MnR及滾圈材料42CrMo許用疲勞應力分別為71 MPa，71 MPa和115 MPa；筒體與墊板角焊縫是高應力區(qū)域，許用疲勞應力需要除以角焊縫疲勞強度減弱系數，即71/4=17.75 MPa；托輪材料硬度大，以剛體處理。

1.4 模擬結果及原因分析

由圖4可知，在圓柱坐標系下，徑向(x向)位移在滾圈頂部最大，為3 mm。由于滾圈承受著干燥機全部重量，需要有足夠的剛度，其一般規(guī)定橢圓度小于筒體內徑的2‰[1]，對于直徑為4 200 mm的筒體來說，3 mm完全滿足要求。

圖4 滾圈及筒體徑向位移分布

根據JB4732-1995對筒體、墊板及滾圈進行疲勞評定。滾圈、筒體及墊板應力強度云圖如圖5～7所示，由圖可知滾圈外表面應力強度最大值為43.6 MPa，處于滾圈與托輪接觸部位，其小于滾圈材料許用疲勞應力115 MPa，筒體外表面最大應力為32.5 MPa，處于滾圈與托輪接觸點與筒體中心連線位置上，小于筒體材料許用疲勞應力71 MPa，墊板應力強度最大值為22.5 MPa，小于許用疲勞應力71 MPa；如圖8所示，墊板與筒體表面焊縫處應力強度最大值為22.22 MPa，根據JB4732-1995 應力強度的定義[2]，焊縫處應力幅為11.1 MPa，小于疲勞許用應力 17.75 MPa?？芍谡］d荷及規(guī)范操作下，該干燥機的筒體和滾圈在壽命范圍內不會萌生裂紋而發(fā)生疲勞破壞。

圖5 滾圈外表面應力強度 圖6 厚壁筒節(jié)外表面應力強度

圖7 滾圈墊板應力強度 圖8 滾圈墊板應力強度

建立滾圈及筒體外表面等效應力(不是應力強度)——圓心角分布曲線，如圖9，10所示。

圖9 滾圈外表面等效應力

由圖9可知，滾圈外表面等效應力在進行著周期變化，滾圈表面經受著交變應力作用，一個周期內，應力出現5次峰值，在與托輪接觸的150°～210°位置處應力達到峰值；由圖10可知，筒體表面等效應力雖然小于許用疲勞應力，在正常情況下不會萌生裂紋，但是，筒體表面固焊有間隔分布的墊板，在筒體周向150°～210°之間，即兩拖輪之間的筒節(jié)表面，等效應力相應的必然出現間隔分布，體現在圖2～9上就是應力5～28 MPa之間振動8次，所以，在筒體旋轉的1個周期內，相當于筒體經歷至少8個周期，這就有可能在設計壽命內導致筒體表面萌生裂紋，由圖1可知，裂紋正是萌生在墊板與筒體焊縫邊上，其很可能正是由此產生。

圖10 筒體外表面等效應力

2 裂紋的預防

PTA干燥機除了由設計強度不足而導致厚壁筒體表面萌生外，運行過程中的不規(guī)范操作及安裝不精確等皆可能成為裂紋萌生的起因。例如開車升溫速度過快，筒體膨脹速度將大幅超過滾圈膨脹速度則容易造成滾圈墊板接觸面的圧潰；停車降溫時沒有經過足夠時間的低速盤車，則極易將收縮引起的拉伸應力集中在滾圈與滾圈墊板處(全部集中在膨脹自由端)，待到再次開啟干燥機時將出現極大沖擊；物料沒有排凈或者機身內出現較大體積的積水，則會導致機身的彎曲變形，導致原本彼此同心的筒體與滾圈出現偏心，導致筒體及滾圈表面產生大應力幅，極易造成疲勞破壞。此外，在安裝干燥機的地基要夯實，避免筒體產生大的彎曲應力，從而避免筒體壁面萌生周向裂紋，發(fā)生疲勞破壞。

3 滾圈墊板的改造

滾圈處厚壁筒節(jié)裂紋的萌生與滾圈墊板的結構及其安裝方式有很大的關系。因此，有研究者對滾圈墊板結構進行了改進設計[3]，如圖11，12 所示，滾圈與厚壁筒節(jié)之間由一塊固焊在筒節(jié)表面的大墊板和鑲嵌在滾圈內表面的兩塊小墊板組成的楔形墊板組進行連接，墊板組之間增加平墊板，作為定位墊板焊接于筒體上，滾圈安裝找正后在每一塊定位墊板處緊貼滾圈焊接擋鐵。這種楔形墊板結構使?jié)L圈與筒體連接較為可靠，檢修也方便。

圖11 墊板安裝示意圖 圖12 定位墊板與楔形板安 裝位置示意圖

其他改進方式有雙楔鐵螺栓緊固安裝、單楔鐵對穿螺栓緊固安裝方式及單楔鐵單側螺栓緊固安裝方式等，這些墊板安裝方式在蒸汽煅燒爐上經現場運行，證明其結構具有非常高的可靠性，具體可參看相關文獻[4]。

4 結 語

對于以上各種改進的結構，不論哪種結構，墊鐵的上下表面都應加工成與筒體的外表面和滾圈的內表面相一致的圓弧面，其目的是在裝配時過程中能夠保證上下兩面與滾圈及筒體表面能夠緊密配合，增大摩擦，防止?jié)L圈的周向/軸向相對滑動。除了設備結構不斷進行改進外，結構相關新材料也在不斷發(fā)展，隨著高強度新材料的不斷研制成功，大型轉動設備的各關鍵部件會有很大的改進空間，對設備安全運行和壽命的延長有著非常重要的意義。