康曉鵬，宋利濱

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029）

1 引言

某醫(yī)院一臺吸附塔運行年限已達到其設(shè)計圖紙中所給出的設(shè)計壽命，經(jīng)現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)對該吸附塔本體的腐蝕速率較小，無損檢測未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標缺陷，根據(jù)現(xiàn)場檢驗結(jié)果，分析認為該吸附塔可進行適當?shù)难悠谑褂谩?/p>

為了評價該塔至下一個檢驗周期（3a）內(nèi)能否正常安全運行，根據(jù)檢驗結(jié)果，依照JB4732—1995對吸附塔進行應(yīng)力分析并對分析結(jié)果進行評定。該吸附塔結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 吸附塔的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 吸附塔的基本技術(shù)參數(shù)表

2 潛在失效模式分析

根據(jù)該吸收塔的操作條件可知，該吸收塔操作工況為交變載荷，故存在疲勞失效模式；介質(zhì)操作溫度為常溫，故可排除蠕變失效模式；介質(zhì)為空氣和氮氣，因此無須考慮應(yīng)力腐蝕問題。結(jié)構(gòu)的潛在失效模式確定為由交變載荷引起的疲勞失效或因凈強度削弱導(dǎo)致的塑性失效。

3 設(shè)備評價參數(shù)

吸附塔的材料為Q235B，彈性模量192GPa，屈服強度235MPa，抗拉強度375MPa，泊松比0.3。預(yù)計下一檢驗周期為3a，根據(jù)檢驗情況可計算出吸附塔筒體有效壁厚為6.97mm，封頭有效壁厚為6.87mm。

4 應(yīng)力分析

采用有限元分析軟件ANSYS進行應(yīng)力分析，按照JB4732—1995中規(guī)定對其進行應(yīng)力評定。在對吸附塔進行應(yīng)力評定時，基于偏保守原則，將二次應(yīng)力歸于一次應(yīng)力考慮。由于該設(shè)備主要考察總體和局部靜強度及疲勞分析，故僅對下列3個準則進行校核[1]。

1）一次總體薄膜應(yīng)力強度SI小于1KSm；

2）一次局部薄膜應(yīng)力強度SII小于 1.5KSm；

3）一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度SIII小于 1.5KSm。

其中Sm 為許用應(yīng)力，Q235B材料在常溫下的許用應(yīng)力為 113MPa；K是載荷組合系數(shù)，由于不考慮重力、風(fēng)載荷和地震載荷，此處 K 值取 1.0。

考慮到本設(shè)備的載荷分布和幾何結(jié)構(gòu)的對稱性，并充分利用計算機資源，對可能由工作載荷引起高應(yīng)力部位進行應(yīng)力分析，具體分析部位及模型類別如下所示：

（1）模型Ⅰ。分析部位：筒體+下封頭（如圖1所示）；模型形式：軸對稱模型。

（2）模型II。分析部位：筒體+接管（如圖1所示）；模型形式：1/4結(jié)構(gòu)靜力分析模型。

4.1 模型Ⅰ應(yīng)力分析

4.1.1 模型Ⅰ有限元模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)吸附塔模型Ⅰ幾何結(jié)構(gòu)對稱性和工作載荷的對稱性，分析時采用軸對稱模型進行應(yīng)力分析。其中筒體長度取L=300m，筒體壁厚t=6.97mm，封頭壁厚t1=6.87mm。分析時選用8節(jié)點Plane82單元模擬吸附塔筒體及封頭結(jié)構(gòu)；采用Mapped方式劃分網(wǎng)格，為了保證計算精度，沿筒體及封頭壁厚方向劃分3層，劃分后的網(wǎng)格共含有單元600個，節(jié)點2 207個。

4.1.2 模型Ⅰ邊界條件

（1）位移邊界條件：約束筒體上端面Y方向位移為零（Y方向為設(shè)備筒體軸向方向）；

（2）力邊界條件：筒體和封頭內(nèi)表面施加工作載荷Pc=0.6MPa。

4.1.3 模型Ⅰ應(yīng)力分析結(jié)果及線性化結(jié)果評定

圖2 為工作壓力作用下的應(yīng)力強度 SINT（第三強度理論）云圖和應(yīng)力線性化路徑圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)，在高應(yīng)力區(qū)部位建立了5個路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對路徑下的應(yīng)力強度進行分類。表2為工作壓力下各路徑應(yīng)力強度及評定結(jié)果。

圖2 模型I應(yīng)力強度SINT云圖及應(yīng)力線性化路徑圖

表2 工作壓力下各路徑應(yīng)力強度及評定結(jié)果

4.2 模型Ⅱ應(yīng)力分析

4.2.1 模型Ⅱ有限元模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)吸附塔模型Ⅱ幾何結(jié)構(gòu)對稱性和工作載荷的對稱性，分析時建立其1/8結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析。其中筒體長度取L=300mm，筒體壁厚t=6.97mm，接管壁厚t2=3.5mm。分析時選用20節(jié)點三維實體Solid95單元模擬吸附塔筒體及接管結(jié)構(gòu)；選采用Sweep（掃掠）方式劃分網(wǎng)格，為了保證計算精度，沿筒體及接管壁厚方向劃分3層，劃分后的網(wǎng)格共含有單元39 069個，節(jié)點197 125個。

4.2.2 模型Ⅱ邊界條件

（1）位移邊界條件：在模型Ⅱ各對稱面上施加對稱位移約束；

（2）力邊界條件：在筒體內(nèi)表面及接管表面施加最大工作載荷pc=0.6MPa，在筒體和接管軸向端面分別施加等效應(yīng)力載荷pd1=12.4MPa和pd2=1.71MPa。

4.2.3 模型Ⅱ應(yīng)力分析結(jié)果及線性化結(jié)果評定

圖2 為工作壓力作用下的應(yīng)力強度 SINT（第三強度理論）云圖及應(yīng)力線性化路徑圖，圖中紅色區(qū)域表示高應(yīng)力區(qū)，藍色區(qū)域表示低應(yīng)力區(qū)，在高應(yīng)力區(qū)部位建立了2個路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對路徑下的應(yīng)力強度進行分類。表3為工作壓力下各路徑應(yīng)力強度及評定結(jié)果。

表3 工作壓力下各路徑應(yīng)力強度及評定結(jié)果

圖3 模型Ⅱ應(yīng)力強度SINT云圖及應(yīng)力線性化路徑圖

5 疲勞分析

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果可知，在工作壓力pc=0.6MPa載荷條件下，模型Ⅰ和模型Ⅱ最大應(yīng)力點分別出現(xiàn)在封頭過渡段內(nèi)側(cè)及筒體與接管連接內(nèi)表面上，最大應(yīng)力強度分別為58.74MPa和74.67MPa。

吸附塔工作壓力波動范圍為0～0.6MPa，即壓力波動幅Δpc=0.6MPa，根據(jù)力的疊加原理可得，在該循環(huán)載荷工況下應(yīng)力最大點處的總應(yīng)力幅：

考慮到材料彈性模量后所對應(yīng)的交變應(yīng)力幅為：模型Ⅰ：

模型Ⅱ：

圖4為溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼設(shè)計壽命曲線[1]。查圖4可知，模型Ⅰ和模型Ⅱ由交變工作載荷所引起的交變應(yīng)力幅值對應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)均為無限，故吸附塔滿足至下一個檢驗周期（3a）疲勞性能的要求。

圖4 溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼設(shè)計壽命曲線

6 結(jié)論

基于以上應(yīng)力分析和疲勞分析結(jié)果，該吸附塔在操作壓力不超過0.6MPa，壓力波動為0～0.6MPa，循環(huán)周期不低于120s/次條件下可以通過JB4732—1995標準中的有關(guān)要求，可以繼續(xù)運行3a的檢驗周期，但使用單位在該吸附塔繼續(xù)運行期間應(yīng)加強監(jiān)控，避免壓力劇烈波動。