肖鋒 沈林 黃曉潔 鞏樂 高志強

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403021

摘 要 通過有限元數(shù)值方法對某廠PTA蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機中間薄壁筒體上出現(xiàn)的裂紋進行計算分析，發(fā)現(xiàn)干燥機滾圈的跨距布置不合理，中間薄壁筒節(jié)處彎曲應(yīng)力很大，在干燥機回轉(zhuǎn)運行中產(chǎn)生了疲勞裂紋，針對這一現(xiàn)象，提供了幾種處理方案。此外，根據(jù)計算結(jié)果，獲得了滾圈在蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機筒體上的最佳布置范圍，并對干燥機管支撐板和加強圈的布置提出建議。

關(guān)鍵詞 蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機 滾圈 跨距 撓度 彎矩 彎曲應(yīng)力 主應(yīng)力 應(yīng)力幅 疲勞

中圖分類號 TQ051.8+92? ?文獻標志碼 B?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0477?07

作者簡介：肖鋒（1971-），高級工程師，從事石油化工設(shè)備管理工作。

通訊作者：鞏樂（1991-），工程師，從事石油化工設(shè)備設(shè)計工作，enjalone@163.com。

引用本文：肖鋒，沈林，黃曉潔，等.蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機裂紋分析與處理[J].化工機械，2024，51（3）：477-483.

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機機身的全部重量通過兩個滾圈傳遞到托輪，機身通過齒圈帶動，在托輪上回轉(zhuǎn)運行，因此，此類干燥機屬于典型的周期疲勞設(shè)備。當滾圈在機身（筒體）上的跨距布置不合理時，會導(dǎo)致筒體某部分的撓度和彎矩非常大，產(chǎn)生相當大的彎曲應(yīng)力。對于這類回轉(zhuǎn)設(shè)備，中間出現(xiàn)裂紋的概率非常小，一般是發(fā)生在滾圈處、厚壁筒節(jié)墊板焊趾處，且貫穿厚壁筒體。文中所分析的干燥機中部薄壁筒體出現(xiàn)了裂紋，分析其主要原因，可能是滾圈跨距布置太寬，導(dǎo)致中部筒體撓度大，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大，導(dǎo)致了低于疲勞壽命的疲勞裂紋。

筆者針對蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機出現(xiàn)的問題，通過有限元分析方法進行計算，并提出了幾種解決方案。此外，對此類設(shè)備的滾圈跨距合理性進行分析計算，得出滾圈跨距的最優(yōu)范圍。

1 彎矩計算

某廠PTA蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機筒體上出現(xiàn)的裂紋位于中間薄壁處，如圖1所示，為干燥機筒體環(huán)向裂紋，初步判斷是滾圈的跨距過大，導(dǎo)致中間薄壁筒節(jié)所受彎矩較大，進而引起疲勞裂紋。

為了分析研究滾圈跨距分布對干燥機機身的影響，本節(jié)建立兩組模型，一種模型是原設(shè)計參數(shù)下干燥機模型，另一種是優(yōu)化設(shè)計參數(shù)下的干燥機模型，分別簡稱為原設(shè)計模型和優(yōu)化設(shè)計模型，對這兩種模型進行有限元計算，得到對應(yīng)的彎矩分布。

原設(shè)計干燥機規(guī)格為?4200 mm×32000 mm，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，材料物性參數(shù)[1～3]見表1。

對于此類長徑比較大的兩點支撐回轉(zhuǎn)設(shè)備，按兩點支撐簡支梁模型處理。干燥機內(nèi)部無壓力，主要受重力載荷，各零部件和物料重力載荷如下：

筒體自重載荷 105 903 kg

30%物料載荷 132 960 kg

30%凝液載荷 22 944 kg

齒圈處集中力 15 311 kg

進料端板處集中力 3 500 kg

汽室處集中力 5 600 kg

換熱管質(zhì)量 62 765 kg

管支撐板質(zhì)量 13 624 kg

以上各項總重量為362 607 kg，換算成重力為3 553 549N。具體處理辦法是：

a. 將物料載荷、凝液載荷、換熱管載荷和管支撐板載荷看作沿筒體軸向均布，等效成均布集度71 140 N/m;

b. 筒體按實際質(zhì)量加載;

c. 齒圈、進料端板和汽室3處的集中力按實際加載。

對于優(yōu)化設(shè)計模型（圖3），只是滾圈和厚壁筒體相對位置進行了調(diào)整，其余保持原設(shè)計。

經(jīng)計算，兩種模型的彎矩和撓度結(jié)果如圖4所示。

對比圖4a、b可以看出：

a. 原設(shè)計模型和優(yōu)化設(shè)計模型最大彎矩和撓度相差懸殊，前者為5 308 300 N/m，后者為

2 379 200 N/m，前者是后者的2.2倍，對同一截面，計算出的彎曲應(yīng)力亦是2.2倍，相對于后者，前者承受了巨大的彎曲應(yīng)力，造成了設(shè)備的根本缺陷。

b. 同樣，原設(shè)計模型撓度比優(yōu)化設(shè)計的大得多，分別為2.78 mm和0.95 mm，前者是后者的2.92倍。

c. 原設(shè)計模型彎矩和撓度最大值皆位于筒體中部，最優(yōu)化設(shè)計模型的3個彎矩最大值基本相同，分別位于前后滾圈處和筒體中間部位，撓度最大值位于筒體中部。這種分布對于干燥機來說是最有利的，因為其避免了最大彎矩和撓度都發(fā)生在強度比較薄弱的筒體中間部位。

是在優(yōu)化設(shè)計滾圈跨距時，筆者計算了多組模型，計算結(jié)果表明，滾圈跨距與筒體長度之比在0.55～0.63范圍內(nèi)時，在筒體中間和兩滾圈部位的筒體處的彎矩值相等，這是最佳受力狀態(tài)。

2 裂紋處理

對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的裂紋，應(yīng)進行處理以防止裂紋繼續(xù)擴展。具體做法是：

a. 將外表面紙屑等雜物清理干凈，檢查外表面是否還存在其他裂紋，如有條件，最好通過PT檢查，確定裂紋位置、大小;

b. 在每條裂紋尖端開?18 mm的止裂孔（圖5）;

c. 止裂孔用?16 mm的棒材填塞，然后在外表面密封焊（圖6）;

d. 打磨裂紋，至少 8 mm深，然后進行補焊;

e. 所有裂紋經(jīng)裂紋尖端打止裂孔、止裂孔填塞密封焊、裂紋打磨補焊后，對以上裂紋焊接處理部位打磨至與筒體平齊。

3 筒體加強方案

為了防止裂紋繼續(xù)擴展，除了上述措施外，還應(yīng)該對裂紋周邊的高應(yīng)力區(qū)進行結(jié)構(gòu)加強，以提高疲勞壽命。首先計算原設(shè)計參數(shù)下干燥機中間筒體應(yīng)力水平，將計算結(jié)果與裂紋出現(xiàn)位置進行對比，綜合考慮，給出解決方案。

3.1 原設(shè)計模型應(yīng)力計算

干燥機所受載荷如前文所示，但等效處理方法不同，此處作如下處理：

a. 將物料載荷和凝液載荷等效增加在筒體密度之上，結(jié)果為19 530 kg/m3;

b. 將換熱管載荷等效增加在管支撐板密度之上，結(jié)果為35 332 kg/m3;

建立完成的有限元模型如圖7所示，其中，薄壁筒節(jié)、加強圈、汽室、端板和管支撐板采用Shell單元，滾圈和厚壁筒體采用Solid單元，Shell和Shell之間、Shell和Solid之間采用Bond接觸，MPC算法[4]。對模型進行靜力學計算，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，原設(shè)計結(jié)構(gòu)中間薄壁筒節(jié)應(yīng)力最大值發(fā)生在離前滾圈中線13.2 m，比廠家給的裂紋位置12.4 m靠后0.8 m，這種情況是由于此處將物料的分布按均布載荷（實際情況是前輕后重）處理及筒體實際環(huán)焊縫的位置分布造成了實際裂紋位置和預(yù)期裂紋發(fā)生位置（應(yīng)力最大點）的偏差。

3.2 結(jié)構(gòu)加強方案

基于以上計算，結(jié)合裂紋實際位置，為了防止裂紋的繼續(xù)擴展、降低裂紋附近筒體應(yīng)力水平和延長設(shè)備使用壽命，需要提高筒體抗彎截面系數(shù)，考慮到可增加環(huán)筋、環(huán)板及縱筋等，現(xiàn)提出如下幾種方案（需要說明的是，這些方案僅對原設(shè)計結(jié)構(gòu)提供設(shè)計缺陷的有限補償，試圖最大可能延長設(shè)備的使用壽命，但是無法從根本上解決問題）。

方案a：以裂紋右側(cè)第1個加強圈為中心，兩側(cè)各增加1個加強圈，3個加強圈之間沿筒體環(huán)向均布12個軸向筋板，如圖9所示。

方案b：將方案a中的軸向筋板去掉。

方案c：將方案b中右側(cè)加強圈去掉。

方案d：在裂紋位置增加一個寬環(huán)板，如圖10所示。

方案e：在方案d基礎(chǔ)上，寬環(huán)板左側(cè)增加一個加強圈，如圖11所示。

方案f：在裂紋位置增加一個寬環(huán)板，寬環(huán)板上設(shè)置兩個加強圈，如圖12所示。

對各組模型進行計算，方案a計算所得中間薄壁筒節(jié)上應(yīng)力云圖如圖13所示，其余云圖為節(jié)約篇幅省略。各方案中間薄壁筒體處最大應(yīng)力強度值和應(yīng)力幅[5]列于表2。

分析表2，得出如下結(jié)論：

a. 所有增加的筋板，不論是環(huán)向筋板還是縱向筋板，都會使得應(yīng)力重新分布，最大應(yīng)力位置也相應(yīng)轉(zhuǎn)移，這對于減小裂紋處應(yīng)力值是有好處的。因此，除了方案a，其余方案皆可阻止現(xiàn)有裂紋繼續(xù)擴展。由于在新的應(yīng)力最大點產(chǎn)生裂紋也需要一定的時間，故除方案a外，其余方案皆可增加疲勞壽命。

b. 沿著軸線在筒體表面布置縱筋板，會產(chǎn)生高局部應(yīng)力，起不到增加疲勞壽命作用。

c. 加強圈有利于減小應(yīng)力值，寬環(huán)板有利于減小撓度值。

d. 寬環(huán)板與加強圈的組合可得到最小應(yīng)力和最小撓度值。

e. 各方案對降低應(yīng)力幅作用有限。

綜上，方案d和方案e為優(yōu)選措施。

4 優(yōu)化設(shè)計計算

為了進一步體現(xiàn)圖3所示優(yōu)化設(shè)計模型的優(yōu)勢，對其進行應(yīng)力計算，撓度、應(yīng)力強度和軸向彎曲應(yīng)力云圖分別如圖14中a、b、c所示。由圖可知，不論是干燥機的撓度還是應(yīng)力水平，皆低于原設(shè)計模型，證明合理的滾圈跨距可明顯地改善干燥機的應(yīng)力水平和撓度。

5 結(jié)束語

針對運行中的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機所出現(xiàn)的筒體環(huán)向裂紋問題，本文通過數(shù)據(jù)計算，得出其滾圈的布置極其不合理，造成中間部位筒體的撓度和彎矩非常大，導(dǎo)致在此處產(chǎn)生了高周疲勞裂紋。針對此問題，提出了幾種處理措施，通過數(shù)值計算，確定出了最佳修補處理措施。

合理的滾圈跨距布置是蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機平穩(wěn)運行的根基，設(shè)計人員需要有足夠的重視。本文利用數(shù)值方法分析計算了蒸汽回轉(zhuǎn)式干燥機滾圈跨距布置的不同對干燥機的影響，提出了滾圈跨距與筒體長度間比值的合理設(shè)計范圍為0.55～0.63的優(yōu)化方案。

此結(jié)論可為同類設(shè)備的設(shè)計提供借鑒，適用于所有兩點支撐回轉(zhuǎn)設(shè)備，如回轉(zhuǎn)窯等。

參 考 文 獻

[1] 國家標準化工作委員會.壓力容器：GB/T 150.2—2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 發(fā)改委.大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件：JB/T 6396—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] The American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II Materials[S].New York：American Society of Mechanical Engineers，2019.

[4] 博弈創(chuàng)作室.ANSYS 9.0 經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[5] The American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 2，Alternative Rules，Rules for Construction of Pressure Vessels[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2019.

（收稿日期：2023-06-20，修回日期：2024-05-20）