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        夾套反應(yīng)釜開孔接管區(qū)的應(yīng)力與疲勞分析*

        2020-11-05 11:19:34楊述威
        機械工程與自動化 2020年5期
        關(guān)鍵詞:夾套反應(yīng)釜當量

        楊述威,楊 俠,張 剛,楊 清

        (1.武漢工程大學 機電工程學院,湖北 武漢 430073;2.武漢鑫鼎泰技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430000)

        0 引言

        反應(yīng)釜廣義上可理解成有化學性或物理性反應(yīng)的不銹鋼容器。通過對反應(yīng)容器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)配置,可以滿足不同工藝需求[1]。夾套反應(yīng)釜是一種用來完成多種工藝過程的典型反應(yīng)設(shè)備,但由于反應(yīng)釜操作壓力比較高,壓力容器長期在交變載荷作用下會產(chǎn)生疲勞破壞[2]等問題,社會上已出現(xiàn)過多起夾套反應(yīng)釜泄漏或者爆炸事故[3],因此對夾套反應(yīng)釜進行應(yīng)力和疲勞分析,對于保障設(shè)備安全運行具有重要的意義[4-6]。以Wang[7]為代表的研究者對夾套反應(yīng)釜的事故進行了一系列的分析研究,同樣也有大量學者對夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)進行了研究,例如Belytschko[8]、李保芹[9]等。本文利用ANSYS有限元軟件對夾套反應(yīng)釜的應(yīng)力分布進行研究,以獲得整個裝置的應(yīng)力云圖,得到最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置,并對夾套反應(yīng)釜各零部件進行疲勞分析。

        1 建立模型及有限元分析

        1.1 幾何建模

        夾套反應(yīng)釜主要設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

        表1 夾套反應(yīng)釜設(shè)計數(shù)據(jù)

        夾套反應(yīng)釜各部件材料及其在設(shè)計溫度下的性能參數(shù)見表2。

        表2 部件材料及設(shè)計溫度下性能參數(shù)

        在設(shè)計條件下按筒體計算壓力20 MPa、夾套計算壓力0 MPa、溫度450 ℃對結(jié)構(gòu)進行分析。夾套反應(yīng)釜內(nèi)筒體規(guī)格為ID 1 000 mm×65 mm,內(nèi)筒體封頭規(guī)格為HHA 1 017 mm×48(40)mm,夾套筒體規(guī)格為ID 1 330 mm×10 mm,夾套封頭規(guī)格為HHA 1 330 mm×10(8)mm。在ANSYS中創(chuàng)建模型如圖1所示。其中N1~N7、N14為內(nèi)筒體接管,N8~N13為夾套接管。

        圖1 夾套反應(yīng)釜實體模型 圖2 夾套反應(yīng)釜有限元模型

        1.2 模型網(wǎng)格劃分

        在有限元分析中采用Solid185單元對實體模型進行網(wǎng)格劃分,內(nèi)筒體及夾套筒體模型單元數(shù)共計293 321,整個模型單元數(shù)總計375 257。夾套反應(yīng)釜有限元模型如圖2所示。

        1.3 邊界條件與加載

        1.3.1 邊界條件

        直角坐標系下對支座4個底板底面施加全約束。施加約束后的有限元模型如圖3所示。

        圖3 邊界條件 圖4 施加載荷

        1.3.2 加載

        筒體內(nèi)表面施加內(nèi)壓,即設(shè)計壓力20.0 MPa,設(shè)備重量為33 500 kg。各接管端面平衡載荷依次為:PN1=-41.53 MPa、PN2=-41.53 MPa、PN3=-7.23 MPa、PN4=-7.23 MPa、PN5=-4.76 MPa、PN6=-7.66 MPa、PN7=-4.76 MPa、PN14=-4.76 MPa。施加載荷后的力學模型如圖4所示。

        2 有限元計算結(jié)果分析

        2.1 應(yīng)力分析結(jié)果

        設(shè)計工況下筒體側(cè)單獨受壓時整體結(jié)構(gòu)及各部件的Tresca應(yīng)力云圖如圖5~圖7所示。

        圖5 整體結(jié)構(gòu)Tresca等效應(yīng)力云圖 圖6 筒體Tresca等效應(yīng)力云圖 圖7 夾套Tresca等效應(yīng)力云圖

        在承壓結(jié)構(gòu)中,從圖6可知:筒體結(jié)構(gòu)的最大當量應(yīng)力值為525 MPa,位于N2接管與筒體連接處。這是由于:①開孔導致筒體材料的連續(xù)性遭到破壞,使原有承載面積減小,筒體與接管連接處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象;②焊縫導致局部結(jié)構(gòu)不連續(xù),從而形成局部不連續(xù)應(yīng)力。接著使用不同尺寸的實體單元對模型進行收斂性驗證,證明此模擬結(jié)果是可靠的。

        從圖7可知:夾套結(jié)構(gòu)的最大當量應(yīng)力值為263.16 MPa,位于夾套與筒體連接處。這是由于夾套與筒體連接處曲率發(fā)生突變,在此處產(chǎn)生了邊緣應(yīng)力。接著使用不同尺寸的實體單元對模型進行收斂性驗證,證明此模擬結(jié)果是可靠的。

        2.2 疲勞分析結(jié)果

        按照夾套內(nèi)壓力保持恒定Pj=0.4 MPa,溫度為400 ℃,筒體內(nèi)壓力變化從0至16.0 MPa再降回0的壓力交變載荷工況下對本設(shè)備進行疲勞分析。整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值計算結(jié)果如圖8所示。

        圖8 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值計算結(jié)果

        由圖5~圖7可知:對于筒體,最大當量應(yīng)力位于N2接管與筒體連接位置處;對于夾套,最大當量應(yīng)力位于內(nèi)筒體與夾套筒體連接位置處,此處為該反應(yīng)釜最易發(fā)生疲勞失效位置,因此就該位置允許出現(xiàn)的交變應(yīng)力幅值進行分析。

        2.2.1 筒體

        圖9為內(nèi)筒體應(yīng)力幅值計算結(jié)果。由圖9可知:結(jié)構(gòu)最大交變應(yīng)力幅值△σ=273.28 MPa。

        圖9 內(nèi)筒體應(yīng)力幅值計算結(jié)果

        其當量交變應(yīng)力幅值為:

        Salt1=0.5△σ×(ε1/ε1t).

        (1)

        其中:ε1為筒體的工程應(yīng)變,取值為2.1×105;ε1t為筒體的真實應(yīng)變,其值為1.84×105。

        將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)可得Salt1=155.95 MPa。

        該交變應(yīng)力循環(huán)下使用系數(shù)為U1:

        U1=n1/N1.

        (2)

        其中:n1為筒體實際循環(huán)次數(shù),取值為3.054×105;N1為筒體總的循環(huán)次數(shù),取值為3.83×105。

        將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)得U1=0.915<1。

        2.2.2 夾套

        圖10為夾套應(yīng)力幅值計算結(jié)果。由圖10可知:結(jié)構(gòu)最大交變應(yīng)力幅值△σ=238.4 MPa。

        圖10 夾套應(yīng)力幅值計算結(jié)果

        其當量交變應(yīng)力幅值為:

        Salt2=0.5△σ×(ε2/ε2t).

        (3)

        其中:ε2為夾套的工程應(yīng)變,取值為2×105;ε2t為夾套的真實應(yīng)變,其值為1.69×105。

        將相關(guān)參數(shù)代入公式(3)可得Salt2=141.07 MPa。

        該交變應(yīng)力循環(huán)下使用系數(shù)為U2:

        U2=n2/N2.

        (4)

        其中:n2為夾套實際循環(huán)次數(shù),取值為3.504×105;N2為夾套總的循環(huán)次數(shù),取值為3.97×106。

        將相關(guān)參數(shù)代入公式(4)得U2=0.088 3<1。

        綜上所述,在正常的使用工況下,該二級反應(yīng)釜整體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)連接的局部疲勞強度能滿足其正常使用工況要求。

        3 結(jié)論

        (1)通過ANSYS對夾套反應(yīng)釜進行有限元分析得知:結(jié)構(gòu)最大當量應(yīng)力值為525 MPa,位于N2接管與筒體連接處,是疲勞失效的最危險點??梢酝ㄟ^適當增加接管厚度來達到補強效果,從而增加設(shè)備的使用壽命。

        (2)ANSYS應(yīng)力分析和疲勞計算分析結(jié)果表明:夾套反應(yīng)釜疲勞強度能夠滿足正常工況需求,驗證了設(shè)計的安全性和合理性。

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