杜四宏

（中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司 河南 鄭州 450052）

[關(guān)建詞] 蒸壓釜；法蘭；應(yīng)力分析

前言

某蒸壓釜使用的法蘭為齒嚙式法蘭，該法蘭沿圓周方向分布有均勻布置的齒，這種齒與齒的嚙合或者錯(cuò)開(kāi)可以使蒸壓釜的蓋快速的開(kāi)或者關(guān)。正因?yàn)檫@種原因，這種齒與齒的嚙合或者錯(cuò)開(kāi)法蘭在蒸壓釜中應(yīng)用非常廣泛。針對(duì)帶平封頭的齒嚙式法蘭，日本制定了《壓力容器快速開(kāi)關(guān)蓋裝置》標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)制定了平封頭齒與齒的嚙合的化工標(biāo)準(zhǔn) ，但還沒(méi)有凸形封頭齒與齒的嚙合的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以供選用[1]。這類(lèi)法蘭主要適用于0.81～6.38MPa之間的工作壓力，200℃左右一般是它們的工作溫度。

在正常工況下，蒸壓釜的這種齒與齒的嚙合法蘭在嚙合面上的應(yīng)力狀況是非常復(fù)雜的。本文對(duì)某蒸壓釜通過(guò)適用CONTACT單元對(duì)蒸壓釜齒與齒的嚙合法蘭進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)這種法蘭進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定。理論與實(shí)踐證明：按該方法設(shè)計(jì)的蒸壓釜法蘭能夠滿足規(guī)范中規(guī)定的強(qiáng)度要求，并能大大減低制造成本。

1 蒸壓釜上、下法蘭有限元模型

某蒸壓釜的結(jié)構(gòu)由球冠形封頭、釜蓋上、下嚙合齒法蘭、釜體等組成。該蒸壓釜釜蓋上法蘭上均勻分布有40個(gè)齒，蒸壓釜釜體下法蘭上也均勻分布40個(gè)齒，蒸壓釜正常工作時(shí)，這40個(gè)齒是相互嚙合的。蒸壓釜釜蓋上法蘭與蒸壓釜釜體下法蘭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某蒸壓釜齒嚙法蘭

1.1 蒸壓釜設(shè)計(jì)參數(shù)

該蒸壓釜的釜體與其封頭的材料使用的是20R鋼板；該蒸壓釜上法蘭與下法蘭使用的材料為16MnII鍛件。該蒸壓釜的設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，它的內(nèi)直徑為2180mm；設(shè)計(jì)壽命為105次；設(shè)計(jì)溫度160℃；該釜內(nèi)的介質(zhì)為水蒸汽。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，20R鋼板和16MnII鍛件在工作溫度下的許用應(yīng)力分別為132MPa和147MPa。材料的許用應(yīng)力副為138MPa。

1.2 蒸壓釜上、下法蘭的有限元模型

該蒸壓釜上、下齒法蘭相嚙合的情況為廣義軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。為方便以及節(jié)省資源，本文取蒸壓釜的一個(gè)齒進(jìn)行計(jì)算，模型如圖2所示。蒸壓釜釜體的長(zhǎng)度符合圣維南原理的要求。

圖2 蒸壓釜上法蘭與下法蘭接觸模型

在分析過(guò)程中我們認(rèn)為，初始狀態(tài)下蒸壓釜上、下齒面是沒(méi)有相互作用力的。隨著工作壓力的增加，它們會(huì)有嵌入或者相對(duì)滑動(dòng)發(fā)生。依據(jù)相關(guān)的計(jì)算原則，對(duì)該蒸壓釜確定好目標(biāo)面與接觸面進(jìn)行計(jì)算。 對(duì)于該蒸壓釜的計(jì)算，這里我們需要經(jīng)過(guò)預(yù)估和不斷試算從而獲得FKN以及FTOLN的最合理計(jì)算數(shù)值。

計(jì)算中，我們采用增廣lagrange法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即：將penalty function與lagrange乘子相結(jié)合來(lái)強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)。齒與齒之間的最大摩擦應(yīng)力約等于δs/[2]。

1.3 蒸壓釜上法蘭與下法蘭載荷及位移邊界條件

蒸壓釜的內(nèi)部受均布內(nèi)壓作用。該蒸壓釜的位移邊界條件見(jiàn)圖3。圖中S為對(duì)稱(chēng)約束，UY為Y方向（豎直方向）上約束。

圖3 蒸壓釜位移邊界條件

2 蒸壓釜力學(xué)計(jì)算結(jié)果

該蒸壓釜在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖4所示。圖中用虛線與實(shí)線分別表示該蒸壓釜變形前后的形狀從而方便對(duì)比。從云圖以及變形軌跡可知：該蒸壓釜法蘭齒的齒跟周?chē)菓?yīng)力高發(fā)區(qū)。

圖4 蒸壓釜應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

根據(jù)我國(guó)的JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，本文采用線處理法[4]對(duì)該蒸壓釜應(yīng)力強(qiáng)度最大處進(jìn)行計(jì)算。該蒸壓釜的應(yīng)力評(píng)定線如圖5中所示。其應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖6所示。1-1、2-2為此次計(jì)算的應(yīng)力處理線。

圖5 計(jì)算采用的蒸壓釜應(yīng)力處理線

圖6 評(píng)定線1-1、2-2處的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度 Pm≤1.0X Smt=147 MPa；一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度PL≤1.5XSmt=1.5×147＝220.5 MPa；一次薄膜應(yīng)力+一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb≤1.5XSmt＝1.5×147＝220.5 MPa；一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Q≤3XSmt=3×147＝441 MPa；峰值應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb+Q+F≤2XSa＝2×138＝276 MPa。Smt表示材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，單位為MPa；Sa為許用應(yīng)力幅，單位為MPa。

按照?qǐng)D5中選取的應(yīng)力處理線根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1-1與2-2應(yīng)力分類(lèi)線的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

續(xù)表1 1-1與2-2應(yīng)力分類(lèi)線的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

從上面表中的數(shù)據(jù)可知：

應(yīng)力處理線1-1處的Pm計(jì)算值為90.8 MPa，Pm+Pb的計(jì)算值為172.8MPa，Pm+Pb+Q+F的計(jì)算值為259.6 MPa；應(yīng)力處理線2-2處的Pm計(jì)算值為98.5 MPa，Pm+Pb的計(jì)算值為131.5MPa，Pm+Pb+Q+F的計(jì)算值為179.2 MPa。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上面的力學(xué)計(jì)算與分析可以清楚：蒸壓釜嚙合齒均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。蒸壓釜上、下法蘭嚙合齒的齒跟部位是應(yīng)力最大區(qū)，因此在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，這一部位應(yīng)盡量采用適當(dāng)半徑的圓弧或者經(jīng)形狀優(yōu)化的曲線來(lái)減少該處的應(yīng)力。