，

(1.先尼科化工(上海)有限公司， 上海 201707； 2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司， 安徽 合肥 230031)

某車間一批半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)在投用數(shù)月后，均出現(xiàn)了不同程度的蒸汽泄漏。通過深入分析和失效評價，在排除了介質(zhì)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等失效機(jī)理后，認(rèn)為是半圓管相交的焊縫以及半圓管和筒體的焊縫在溫度載荷和內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生了應(yīng)力集中，焊縫強(qiáng)度達(dá)不到疲勞要求所致，決定對其半圓管結(jié)構(gòu)和焊縫形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。

目前國內(nèi)的半圓管夾套容器研究多采用有限元方法[1-6]。曹亞熹等[7]給出了在溫差作用下半圓管計算公式和條件式。蔣文春等[8]認(rèn)為焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致半圓管夾套開裂的重要因素之一，并通過ABAQUS進(jìn)行了驗證。陳慧文等[9]在熱變形、介質(zhì)流動等方面對夾套管的選型進(jìn)行了分析。蘇厚德等[10]分析了熱環(huán)境下開孔容器的疲勞應(yīng)力分布，結(jié)果顯示接管與筒體相貫處應(yīng)力集中很大。王茂廷等[11]研究了在一次二階矩法和蒙特卡洛法下壓力容器基于疲勞壽命的模型。董麗萍[12]對不銹鋼夾套容器缺陷的產(chǎn)生和預(yù)防進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。另外，制造和焊接過程中質(zhì)量的嚴(yán)格把控對夾套容器的壽命也極其重要[13-16]。

1 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)設(shè)計概況

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)原結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖見圖1。干燥機(jī)體積6 m3，長3 800 mm，主體結(jié)構(gòu)由筒體和半圓夾套管組成。原設(shè)計中，縱向半圓管規(guī)格為?159 mm×8 mm和?89 mm×6 mm，橫向半圓管規(guī)格為?89 mm×6 mm，間距142 mm。半圓管通過角焊縫與筒體連接，其中?159 mm×8 mm的半圓管為進(jìn)氣總管，?89 mm×6 mm的半圓管為進(jìn)氣支管。在中部進(jìn)料口附近，?89 mm×6 mm半圓管圍成矩形通道，與?159 mm×8 mm半圓管形成流通互補(bǔ)。

1.2 設(shè)計參數(shù)

圖2中半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)總質(zhì)量7 700 kg，筒體為II類壓力容器，夾套內(nèi)介質(zhì)為水蒸氣，筒體內(nèi)介質(zhì)為漿料，物料特性為非爆、非易燃，物料環(huán)境為真空。干燥機(jī)腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 干燥機(jī)腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

2 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)泄漏情況

泄漏點集中在橫向與縱向半圓管的焊縫處及半圓管和筒體的焊縫處，見圖2。發(fā)生泄漏的部位集

圖2 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)泄漏現(xiàn)場

中在進(jìn)氣總管和橫向進(jìn)氣支管的焊縫處、橫縱進(jìn)氣支管的焊縫處以及進(jìn)氣總管和筒體的焊縫處。在多次補(bǔ)焊后，類似情況仍然時有發(fā)生，并沒有得到根本性的解決。

3 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 干燥機(jī)工作原理

半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)工作時，首先進(jìn)入熱態(tài)過程，2.5 MPa、225 ℃的高溫蒸汽進(jìn)入夾套，通過半圓管夾套與筒體內(nèi)物料進(jìn)行冷熱循環(huán)換熱，將物料從80 ℃加熱至210 ℃。在冷態(tài)下，待物料內(nèi)的水分蒸發(fā)充分后，夾套內(nèi)充入100 ℃常壓蒸汽對210 ℃物料冷卻，直至放料，完成一次干燥過程。根據(jù)現(xiàn)場工序推算，干燥機(jī)每年需要完成的完整干燥過程約400次。

3.2 蒸汽泄漏原因分析

根據(jù)現(xiàn)場泄漏情況、針對泄漏部位進(jìn)行失效評價和干燥機(jī)的工作原理分析，排除了介質(zhì)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等失效機(jī)理，認(rèn)為是半圓管相交的焊縫處以及半圓管和筒體的焊縫在溫度載荷和內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中，導(dǎo)致現(xiàn)有焊縫的強(qiáng)度無法滿足實際工況的疲勞要求，這一結(jié)論經(jīng)過核算也得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。根據(jù)確定的泄漏原因，決定在不改變干燥工藝和換熱需要的前提下，對半圓管的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重新設(shè)計，對重點部位進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 干燥機(jī)結(jié)構(gòu)改造

針對半圓管的連接問題，優(yōu)化改造夾套結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的干燥機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3，設(shè)計的重點在改變半圓管夾套的連接形式。橫向集氣支管間距不變，針對原結(jié)構(gòu)中進(jìn)氣總管和進(jìn)氣支管的連接處應(yīng)力過高問題，將進(jìn)氣總管整體移出筒體結(jié)構(gòu)，通過外置2根?114.3 mm×6 mm的進(jìn)氣管形成相對獨立的流道完成進(jìn)氣過程，進(jìn)氣管間通過?60.3 mm×5 mm的進(jìn)氣連接管進(jìn)行聯(lián)通。筒體表面僅分布?89 mm×6 mm橫向集氣支管，進(jìn)氣管與橫向集氣支管之間通過?27 mm×3.5 mm的分氣管連接。蒸汽在橫向集氣支管進(jìn)行換熱之后，再次經(jīng)過分氣管流入置于下部的2根?114.3 mm×6 mm的凝液管，最終排出系統(tǒng)。

考慮到蒸汽冷凝的問題，筒體下部的分氣管盡量布置在最低處。這樣的結(jié)構(gòu)形式，不僅規(guī)避了原設(shè)計結(jié)構(gòu)中進(jìn)氣總管和進(jìn)氣支管處的大開孔焊縫問題和橫縱進(jìn)氣支管焊縫問題，而且也很大程度上減小了筒體與半圓管的焊縫處應(yīng)力。同時，由于進(jìn)出料口和支撐結(jié)構(gòu)的存在，橫向集氣支管在相應(yīng)部位被打斷，打斷處采用管帽形式，最大程度上減小該處的應(yīng)力水平。

圖3 優(yōu)化后的干燥機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)有限元分析

4.1 溫度場分析

由于干燥機(jī)橫向集氣支管間距固定，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，取中部的重點部位進(jìn)行分析，選取結(jié)構(gòu)中央?yún)^(qū)域11排橫向集氣支管以及附近的筒體、進(jìn)氣管、連接管、分氣管和凝液管結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)模型及網(wǎng)格劃分

模型總計311 724個單元。由于進(jìn)、出料口和支撐件對結(jié)構(gòu)溫度場影響很小，因此可不作考慮。根據(jù)干燥機(jī)設(shè)計壓力載荷和溫度載荷下疲勞工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱態(tài)和冷態(tài)的溫度場數(shù)值模擬。根據(jù)生產(chǎn)實際，整個操作過程中物料與筒體的熱對流系數(shù)取50 W/(m2·℃)。

結(jié)合干燥機(jī)工作原理，熱態(tài)下225 ℃蒸汽進(jìn)入設(shè)備后的熱態(tài)溫度場計算結(jié)果見圖5。夾套最高溫度為225 ℃，筒體溫度由外向內(nèi)遞減，進(jìn)氣支管的打斷處溫度最低，數(shù)值為84.15 ℃。在充入100 ℃蒸汽的冷態(tài)下，溫度分布趨勢(圖6)與熱態(tài)相反，進(jìn)氣支管的打斷處受熱態(tài)溫度場的影響且附近沒有換熱條件，此處溫度最高，數(shù)值為206.86 ℃，夾套溫度為100 ℃，筒體溫度由外向內(nèi)遞增。

圖5 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)熱態(tài)溫度場分布

圖6 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)冷態(tài)溫度場分布

4.2 疲勞分析

根據(jù)溫度場計算結(jié)果，結(jié)合冷態(tài)和熱態(tài)下筒體和夾套的操作壓力，并忽略重力的影響，對冷熱循環(huán)的疲勞過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計算分析。

筒體一端加載軸向和周向位移約束，另一端加載相應(yīng)的端面載荷，數(shù)值模擬得到的半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)應(yīng)力分布和危險區(qū)域局部應(yīng)力分布分別見圖7和圖8。

圖7 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)應(yīng)力分布

圖8 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)危險區(qū)域局部應(yīng)力分布

由圖7和圖8可知，半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)的疲勞應(yīng)力最大值出現(xiàn)在半圓管與筒體的連接處，數(shù)值為593.26 MPa。此處半圓管緊臨干燥機(jī)上部夾套打斷處，冷熱流體的溫差較大，在內(nèi)壓的作用下，變形協(xié)調(diào)復(fù)雜程度很高，在熱應(yīng)力場和機(jī)械應(yīng)力場的同時作用下，產(chǎn)生了很大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在半圓管打斷處四周，都存在高應(yīng)力場分布，原因與上述類似。可以看出，在苛刻的操作環(huán)境下，結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力影響區(qū)分布較廣，溫度分布不連續(xù)區(qū)域不可避免受到高應(yīng)力區(qū)影響。

在溫度疲勞中，由于缺乏溫度場造成的熱沖擊、能量擴(kuò)散等相關(guān)數(shù)據(jù)，可對疲勞應(yīng)力數(shù)值取安全系數(shù)2.0。根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[17]，對奧氏體不銹鋼疲勞應(yīng)力與疲勞次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行溫度修正，得到的優(yōu)化之后干燥機(jī)在當(dāng)前疲勞工況下的使用次數(shù)超過3 100次，預(yù)計使用壽命為7～8 a。相比之前結(jié)構(gòu)，使用壽命大為增加。

4.3 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)設(shè)備的設(shè)計條件對模型進(jìn)行設(shè)計工況下的強(qiáng)度計算，并對危險部位進(jìn)行應(yīng)力分類與評定。主要危險部位為進(jìn)氣總管和連接管的連接處、進(jìn)氣支管管帽和連接管的連接處等。半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)危險部位應(yīng)力評定路徑見圖9，圖9a～圖9d所示危險部位分別分氣管與進(jìn)氣管連接處、分氣管與橫向集氣支管帽連接處、分氣管與橫向集氣支管連接處、分氣管與凝液管連接處。

在評定時，保守考慮，設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度統(tǒng)一按照鋼管在設(shè)計溫度下的數(shù)值選取。結(jié)構(gòu)材質(zhì)為S30408不銹鋼，其在設(shè)計溫度下應(yīng)力強(qiáng)度Sm為120.4 MPa。半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)危險部位應(yīng)力評定結(jié)果見表2。表2中各物理量含義與JB 4732—1995相同。根據(jù)JB 4732—1995的有關(guān)規(guī)定，局部薄膜應(yīng)力SⅡ不超過1.5Sm，局部薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和SⅢ不超過1.5Sm，一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和SⅣ不超過3Sm。從表2可知，結(jié)構(gòu)危險部位靜強(qiáng)度校核滿足設(shè)計條件。

圖9 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)危險部位應(yīng)力評定路徑

表2 半圓管真空耙式疲勞干燥機(jī)危險部位應(yīng)力評定結(jié)果

5 制造檢驗條件

干燥機(jī)的半圓管宜采用冷成型，如果采用熱成型，應(yīng)在成型后進(jìn)行熱處理恢復(fù)性能。每圈半圓管不得拼接，表面不允許存在劃傷、疤痕、刻痕及弧坑。半圓管帽最小成型厚度為4.7 mm。

對半圓管夾套的坡口及熱影響區(qū)，應(yīng)當(dāng)按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分 滲透檢測》[18]進(jìn)行100% 滲透檢測，Ⅰ級合格。

6 結(jié)語

橫縱交錯形式的半圓管夾套干燥機(jī)在半圓管焊縫處易產(chǎn)生裂紋從而引起夾套內(nèi)介質(zhì)泄漏，多次補(bǔ)焊后問題仍無法得到根本解決，對日常生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的安全隱患。在排除腐蝕等破壞機(jī)理后，結(jié)合實際操作工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計圖樣進(jìn)行了原因分析，并提出了夾套和進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造設(shè)計方案，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場和熱應(yīng)力疲勞數(shù)值分析，依據(jù)JB 4732—1995的相關(guān)規(guī)定對危險部位進(jìn)行了強(qiáng)度校核。改造后干燥機(jī)泄漏問題得到了根本解決，已安全運行超過1 a。此次改造可為半圓管夾套干燥機(jī)同類問題的分析和解決提供參考。