劉小平，王華明，余江涌，孫一平，陳顯彬

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院， 湖南 長沙 410117）

（2.深圳中集天達(dá)空港設(shè)備有限公司， 廣東 深圳 518103）

燙平機(jī)是洗滌機(jī)械的一種，屬于洗衣房熨整設(shè)備。其主要部件一般是單個(gè)、兩個(gè)輥，輥通過手搖或電力轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到一定溫度后，當(dāng)潮濕的衣物經(jīng)過兩個(gè)輥之間，可以除去大量的水分，且達(dá)到燙平的效果。用于床單、桌布、布料等的軋平過程。

本文通過有限元對(duì)一起失效燙平機(jī)不銹鋼烘筒強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬烘筒封頭在內(nèi)壓0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三種工況下的應(yīng)力分布情況，并通過壓力容器失效準(zhǔn)則對(duì)失效燙平機(jī)烘筒封頭進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品銘牌，使用單位提供的質(zhì)量證明書和現(xiàn)場測量，燙平機(jī)烘筒技術(shù)參數(shù)如下：

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 不銹鋼烘筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)場情況

在現(xiàn)場對(duì)燙平機(jī)、安全閥、壓力表、連接管線、鍋爐等相關(guān)設(shè)備儀表進(jìn)行了勘查。燙平機(jī)烘筒封頭爆裂，生產(chǎn)場地設(shè)施受損，見圖2、圖3。烘筒通過管道直接與鍋爐相連，中間未設(shè)置減壓閥，安全閥、壓力表未見校驗(yàn)鉛封。

圖2 爆裂不銹鋼烘筒圖

圖3 事故現(xiàn)場

3 宏觀檢驗(yàn)

通過對(duì)失效烘筒進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，烘筒筒體未見異常，烘筒的爆裂封頭內(nèi)表面存在大量腐蝕坑，外側(cè)邊緣均勻減薄，見圖4、圖5，最薄處僅0.7mm。未爆裂封頭也存在明顯的腐蝕現(xiàn)象。封頭形狀為S型，可以視為半球形封頭、錐形封頭、平蓋封頭的組合。

圖4 烘筒爆裂封頭

圖5 烘筒爆裂封頭最薄位置

4 壁厚測定

對(duì)烘筒筒體及爆裂封頭（半球形部分、錐形部分、平蓋部分）進(jìn)行測厚，測量值如表2：

表2 筒體厚度測量值（mm）

表3 爆裂封頭厚度測量值（mm）（半球形部分、錐形部分、平蓋部分典型值）

5 有限元數(shù)值分析

計(jì)算參數(shù)按照表1選取，分別對(duì)設(shè)計(jì)封頭和爆裂封頭的模型進(jìn)行預(yù)定工況下的結(jié)構(gòu)分析，其中爆裂封頭半球形部分厚度值取1.5mm，由于不能確定烘筒爆裂時(shí)的工作壓力，故在有限元應(yīng)力分析時(shí)對(duì)事故烘筒取0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa三種工況進(jìn)行分析。

5.1 邊界條件

該烘筒的力學(xué)模型類似于一個(gè)兩端固定的簡支梁。因此其邊界條件可作如下簡化：

(1)力邊界條件：封頭內(nèi)表面承受均勻內(nèi)壓；(2)約束邊界條件：軸端部施加固定約束，軸承對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，筒壁施加X方向約束。

圖6 烘筒筒體測厚位置示意圖

圖7 爆裂封頭測厚位置示意圖

圖8 爆裂封頭厚度與設(shè)計(jì)封頭比較示意圖

圖9 設(shè)計(jì)封頭幾何模型

圖10 爆裂封頭幾何模型

圖11 設(shè)計(jì)封頭有限元模型

圖12 爆裂封頭有限元模型

5.2 有限元結(jié)果分析

(1)對(duì)設(shè)計(jì)封頭結(jié)構(gòu)及筒壁施加0.6MPa內(nèi)壓，其應(yīng)力云圖分布如圖13、圖14：

圖13 設(shè)計(jì)封頭整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（0.6MPa內(nèi)壓）

圖14 設(shè)計(jì)封頭A-A截面應(yīng)力線性化圖（0.6MPa內(nèi)壓）

對(duì)封頭的應(yīng)力最大位置取A-A截面作為應(yīng)力線性化路徑，得其薄膜應(yīng)力PL=24.02MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力PL+Pb+Q=298MPa。

(2)對(duì)爆裂封頭結(jié)構(gòu)及筒壁施加0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa內(nèi)壓進(jìn)行應(yīng)力分析。

(a)施加0.6MPa內(nèi)壓時(shí)，其應(yīng)力云圖分布如圖15、圖16：

圖15 爆裂封頭整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（0.6MPa內(nèi)壓）

圖16 爆裂封頭A-A截面應(yīng)力線性化圖（0.6MPa內(nèi)壓）

對(duì)封頭的應(yīng)力最大位置取A-A截面作為應(yīng)力線性化路徑，得其薄膜應(yīng)力PL=171MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力PL+Pb+Q=10485MPa。

(b)施加0.4MPa內(nèi)壓時(shí)，其應(yīng)力云圖分布如圖17、圖18：

圖17 爆裂封頭整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（0.4MPa內(nèi)壓）

圖18 爆裂封頭A-A截面應(yīng)力線性化圖（0.4MPa內(nèi)壓）

分別對(duì)其A-A截面施加0.4MPa內(nèi)壓時(shí)，得其薄膜應(yīng)力PL=114.2MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力PL+Pb+Q=6989MPa。

(c)施加0.2MPa內(nèi)壓時(shí)，其應(yīng)力云圖分布如圖19、圖20：

圖19 爆裂封頭整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（0.2MPa內(nèi)壓）

圖20 爆裂封頭A-A截面應(yīng)力線性化圖（0.2MPa內(nèi)壓）

對(duì)其A-A截面進(jìn)行應(yīng)力線性化，得其薄膜應(yīng)力PL=57.1MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力PL+Pb+Q=3495MPa。

5.2 強(qiáng)度校核

根據(jù)壓力容器失效準(zhǔn)則：PL≤1.5 S m 且PL+Pb+Q≤3.0Sm。查閱材料手冊，設(shè)計(jì)溫度下Sm=137.5MPa，結(jié)合上述有限元應(yīng)力分析，對(duì)設(shè)計(jì)封頭與爆裂封頭最大應(yīng)力位置進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(1)設(shè)計(jì)封頭強(qiáng)度校核見表3。

表3 設(shè)計(jì)封頭最大應(yīng)力位置強(qiáng)度校核（單位：MPa）

(2)爆裂封頭強(qiáng)度校核見表4。

表4 爆裂封頭最大應(yīng)力位置強(qiáng)度校核（單位：MPa）

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場勘查、厚度測量初步確定烘筒爆裂主要原因是封頭強(qiáng)度不夠，由于無法確定烘筒爆裂時(shí)的工作壓力，故取內(nèi)壓0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三種工況進(jìn)行應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核，結(jié)果表明爆裂封頭由于球形部分厚度太薄均不滿足三種工況下的強(qiáng)度要求。

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