王兵，叢湘純，張穎，劉延雷，李洪標(biāo)

故障診斷與維修

齒嚙式蒸壓釜齒側(cè)裂紋修復(fù)后剩余強(qiáng)度的有限元分析

王兵1，叢湘純2，張穎2，劉延雷1，李洪標(biāo)3

（1.杭州市特種設(shè)備檢測院，浙江杭州310003；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；3.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163714）

齒嚙式蒸壓釜在使用過程中，其嚙合齒側(cè)易出現(xiàn)裂紋等缺陷，常采用打磨修復(fù)方法。打磨量直接影響修復(fù)后齒塊的剩余強(qiáng)度。以一臺蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產(chǎn)生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。由分析結(jié)果可知，在嚙合齒塊齒側(cè)出現(xiàn)裂紋時(shí)，齒間應(yīng)力值大于完好狀態(tài)下齒塊間應(yīng)力，且隨著打磨量的增加，齒間最大應(yīng)力值呈增大趨勢。比較不同的修復(fù)方式，以導(dǎo)圓角的形式進(jìn)行修復(fù)齒間應(yīng)力值較小，但導(dǎo)圓角半徑應(yīng)小于15mm.

齒側(cè)裂紋；打磨量；快開容器；有限元分析

蒸壓釜是一種典型的間歇操作設(shè)備，為了裝卸產(chǎn)品，常設(shè)置貫通式齒嚙合快開門結(jié)構(gòu)[1]。對于齒嚙式蒸壓釜，在一定溫度及壓力條件下運(yùn)行，其嚙合齒塊根部承受復(fù)雜的應(yīng)力作用，在長期復(fù)雜應(yīng)力以及腐蝕環(huán)境作用下將形成裂紋，導(dǎo)致蒸壓釜密封性降低，甚至失效[2，3]。在實(shí)際的檢修及維修過程中，常采用機(jī)械打磨的方式來消除齒塊裂紋，打磨處幾何形狀及打磨量直接影響修復(fù)后齒塊的剩余強(qiáng)度。本文以一臺齒嚙式蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產(chǎn)生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。以確定合適的打磨形狀及允許的最大打磨量。

1 嚙合齒塊的有限元分析

1.1 蒸壓釜的基本參數(shù)

蒸壓釜釜體內(nèi)徑為2850 mm，壁厚20 mm，釜蓋為受內(nèi)壓的球殼體，壁厚22 mm，材料為Q345R.法蘭為一圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，材料為Q345鍛件。蒸壓釜設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，最高允許工作壓力1.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度210℃，彈性模量2.06×105MPa，泊松比為0.3，設(shè)計(jì)溫度下法蘭的應(yīng)力強(qiáng)度為142MPa.

1.2 有限元模型建立

蒸壓釜釜體與釜蓋的連接是通過法蘭上的釜齒相互嚙合，釜齒沿圓周均勻分布有40對，取一個(gè)法蘭齒及兩側(cè)相鄰半個(gè)齒間隙作為研究對象，相鄰齒之間中心夾角為9°，截取局部子結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，通過Solidworks建立三維模型導(dǎo)入ANSYS，以建立齒嚙式快開結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 網(wǎng)格劃分

在執(zhí)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇ANSYS提供的Meshtool工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇六面體單元進(jìn)行Sweep掃掠劃分，并且在兩法蘭的接觸面執(zhí)行網(wǎng)格細(xì)化操作。

1.4 接觸分析

在實(shí)際操作中，釜體法蘭和釜蓋法蘭是通過嚙合齒之間的接觸來實(shí)現(xiàn)力的傳遞和彼此之間約束的[4]。目標(biāo)單元選用TRGET170，接觸單元選用CONTACT174.采用ANSYS中面－面接觸模型，在劃分好網(wǎng)格的有限元模型上建立一個(gè)以釜體法蘭嚙合齒的下齒面為目標(biāo)面、釜蓋法蘭嚙合齒的上齒面為接觸面的接觸對來描述兩個(gè)齒面的接觸行為。

1.5 邊界條件

在模型結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面施加均勻載荷1.6 MPa，在蒸壓釜快開裝置結(jié)構(gòu)對稱面和釜頭切面上施加軸對稱約束，在嚙合齒塊的幾何對稱中心處施加徑向位移約束。

1.6 求解

對蒸壓釜實(shí)體模型加載后，可進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2 帶有裂紋嚙合齒塊有限元分析

為分析裂紋缺陷對嚙合齒塊受力的影響程度，用上述有限元計(jì)算方法分別對完好齒塊和帶有裂紋缺陷的齒塊進(jìn)行分析。在構(gòu)建帶裂紋嚙合齒塊的模型時(shí)，用半V型槽口（開30°槽口）來代替裂紋。根據(jù)求解結(jié)果，得到完好齒塊和帶裂紋齒塊應(yīng)力云圖，如圖2所示。

圖2 嚙合齒塊應(yīng)力云圖

由圖2可知，完好齒塊齒間最大應(yīng)力值為352.10 MPa，帶裂紋齒塊齒間最大應(yīng)力值為368.89 MPa，比完好齒塊齒間最大應(yīng)力值大，因此帶有裂紋缺陷嚙合齒塊承受較高應(yīng)力，對其安全使用產(chǎn)生影響，必須進(jìn)行修復(fù)。

3 裂紋修復(fù)后的嚙合齒塊剩余強(qiáng)度有限元分析

按照相關(guān)技術(shù)要求，裂紋等缺陷是不允許存在的，所以必須通過機(jī)械加工的方法予以消除。常采用打磨方法，針對不同的打磨形式和打磨量，對修復(fù)后的齒塊齒間應(yīng)力做有限元分析。分以下兩組情況進(jìn)行模擬，第一組分別取不同導(dǎo)圓尺寸，即圓角半徑r1=0 mm、5 mm、10 mm、15 mm這4種情況進(jìn)行模擬；第二組模擬取打磨形式向齒側(cè)內(nèi)側(cè)凹陷情況，齒側(cè)圓弧半徑r2=12.5 mm、15 mm、17.5 mm這3種情況進(jìn)行模擬（模擬凹陷的圓弧圓心位置相比圓角更靠近齒側(cè)內(nèi)側(cè)）。其中圓角尺寸r1=5 mm及圓弧尺寸r2=12.5 mm的Solidworks局部模型如圖3所示。

圖3 二種修復(fù)形式的齒塊Solidworks局部模型

對不同打磨尺寸下的嚙合齒塊建立模型，按前述有限元分析方法進(jìn)行求解，提取嚙合齒塊齒間最大應(yīng)力值分別列入表1、表2中。

表1 不同圓角尺寸下的最大應(yīng)力值

表2 不同圓弧尺寸下的最大應(yīng)力值

從表1看出，隨著釜嚙合齒塊齒側(cè)圓角半徑r1的增加，齒間最大應(yīng)力值呈增大趨勢，r1每增加5 mm，最大應(yīng)力值增加約30 MPa.從表2看出，隨著凹陷圓弧的增加，最大應(yīng)力值也呈增大趨勢，在圓弧尺寸r2為12.5～17.5 mm時(shí)，弧深每增加2.5 mm，最大應(yīng)力增加40 MPa.但凹陷圓弧的修復(fù)方式，比對應(yīng)的圓角修復(fù)方式，齒間最大應(yīng)力值要高。

裂紋產(chǎn)生的部位屬于釜體齒根處和釜體法蘭的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，需用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核，規(guī)定其限制條件如下[5]：

其中，PL為一次局部薄膜應(yīng)力；Pb為一次彎曲應(yīng)力；Q為二次應(yīng)力；Sm為法蘭的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；取應(yīng)力集中系數(shù)K為1.

對兩種打磨方式下不同打磨量的齒間最大應(yīng)力值進(jìn)行校核，圓角打磨方式下，4種圓角尺寸的最大應(yīng)力值均滿足強(qiáng)度要求，其中當(dāng)r1=15 mm時(shí)，Smax=422.60＜3×142=426 MPa，接近限制條件；向齒側(cè)內(nèi)側(cè)凹陷打磨時(shí)，當(dāng)圓弧尺寸r2=12.5 mm時(shí)，Smax=427.86>426 MPa，超過限制條件，不滿足強(qiáng)度要求?？梢?，在實(shí)際打磨過程中，以導(dǎo)圓角的方式進(jìn)行打磨更加安全，且圓角尺寸盡量小，以保證齒塊的剩余強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

本文以一臺齒嚙式蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產(chǎn)生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，得到如下結(jié)果：

（1）齒側(cè)帶有裂紋的嚙合齒塊間應(yīng)力大于無裂紋的完好齒塊間應(yīng)力，需要對其進(jìn)行修復(fù)處理；

（2）對齒側(cè)開不同尺寸圓角的打磨方式，隨著圓角半徑r1越大，齒間最大應(yīng)力值增大，且圓角半徑r1每增加5mm，最大應(yīng)力值增加約30MPa；

（3）對齒側(cè)打磨出不同凹陷尺寸，隨著凹陷圓弧半徑r2增大，齒間最大應(yīng)力值增大，且圓弧半徑r2每增加2.5mm，最大應(yīng)力值增加約40 MPa.

（4）圓角打磨方式下，4種圓角尺寸下的最大應(yīng)力值均滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)凹陷圓弧尺寸r2=12.5 mm時(shí)，最大應(yīng)力值超過限制條件，不滿足強(qiáng)度要求。

在實(shí)際打磨過程中，以導(dǎo)圓角的方式進(jìn)行打磨對齒塊強(qiáng)度的影響較小，但為保證齒塊強(qiáng)度要求，圓角尺寸應(yīng)盡量小。

[1]吳汝楊.基于ANSYS的蒸壓釜罐口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2010，32（5）：127-129.

[2]陸龍星，孔令昌，陳煒美.在用蒸壓釜停車檢驗(yàn)與裂紋分析[J].化學(xué)工程與裝備，2014（1）：75-76.

[3]雷榮開.蒸壓釜裂紋成因探討[J].機(jī)電技術(shù)，2012（3）：121-122.

[4]楊剛，經(jīng)樹棟.齒嚙式快開壓力容器的接觸分析[J].化工設(shè)備與管道，2006，43（3）：19-23.

[5]原中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.JB4732-1995（2005年確認(rèn)）.鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2005.

Finite Element Analysis of Residual Strength After Repair for The Tooth Root Side Crack of Tooth-Meshing Type Autoclave

WANG Bing1，CONG Xiang-chun2，ZHANG Ying2，LIU Yan-lei1，LI Hong-biao3
（1.Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou Zhejiang 310003，China；2.Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China；3.Daqing Petrochemical Company refinery，Daqing Heilongjiang 163714，China）

In the process of use，the meshing tooth root side of tooth-meshing type autoclave is easy to appear crack and other defects.So the polishing method is often used to repair.The amount of polishing directly affects the residual strength of the meshing-tooth after repaired.In this paper，a tooth-meshing type autoclave is taken as an example. The finite element analysis was carried out on the residual strength of the meshing-tooth with different polish degree or the meshing-tooth with crack.It can be seen from the analysis that when the crack occurs on the tooth root side，the stress value is greater than that produced in the intact meshing-tooth.With the increase of polishing degree，the stress between teeth tend to increase.Comparing different polish methods，there produces a smaller stress value on the meshing-tooth when adopts guiding fillet form.But the fillet radius should be less than 15mm.

meshing-tooth side crack；polishing amount；quick-opening container；finite element analysis

TH49

A

1672-545X（2017）02-0184-03

2016-11-05

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015QK085）

王兵（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備安全檢驗(yàn)。