張建平 胡祥金 江西省檢驗檢測認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院鷹潭檢測分院

齒嚙式快開壓力容器具有快速啟閉、卸料便利等特點（以下簡稱“容器”），適用于化工、食品、紡織等工業(yè)領(lǐng)域中直徑較大場合，容器安全性能直接影響產(chǎn)線運(yùn)行安全。在容器設(shè)計方面，需要完成整體安全性驗證，通過建立有限元模型對結(jié)構(gòu)應(yīng)力展開分析，驗證容器結(jié)構(gòu)安全、可靠。因此應(yīng)掌握容器應(yīng)力評估方法，為容器設(shè)計提供科學(xué)指導(dǎo)。

一、齒嚙式快開壓力容器整體有限元應(yīng)力分析

從結(jié)構(gòu)組成上來看，容器包含卡箍、筒體、端部法蘭、封頭等多個部分，依靠法蘭齒和封頭齒的嚙合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接。實際容器整體結(jié)構(gòu)非軸對稱類，但嚙合齒沿軸向?qū)ΨQ分布，受力和變形可看成是廣義軸對稱問題。通過整體建模對各工況下的容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況展開分析，通過截取危險截面實現(xiàn)危險路徑定義，確保獲得的應(yīng)力結(jié)果符合實際。相較于單元有限元分析，整體建模分析的內(nèi)壓加載狀態(tài)和對稱約束不變，但在嚙合力作用下無須對封頭設(shè)定豎直方向約束。嚙合面間存在的摩擦接觸可以在法向脫離，在切向出現(xiàn)相對滑移。盡管施加內(nèi)部正壓不會導(dǎo)致法向分離出現(xiàn)，但由于封頭法蘭和筒體法蘭剛性不同，會出現(xiàn)變形量差異，使切向出現(xiàn)相對滑動。將齒間隙接觸面當(dāng)成是研究對象，由于位于法蘭連接位置不會產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。

通過定義接觸問題，并進(jìn)行邊界條件加載，可以使容器齒間接觸面發(fā)生相對滑動，使上、下法蘭和卡箍、楔塊等分別接觸。為避免整體出現(xiàn)軸向剛體位移，設(shè)筒體下端面軸向位移為零。結(jié)合容器特點，可以分別施加對稱約束、位移約束、載荷等，完成邊界條件計算。

將齒面接觸看成是無間隙，受負(fù)載時因接觸法蘭變形不一致將導(dǎo)致接觸面積變小，出現(xiàn)嵌入和相對滑動。在應(yīng)力分類方面，利用線處理法對危險截面應(yīng)力分量進(jìn)行均勻化、線性化處理，獲得沿應(yīng)力分布線的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等數(shù)值。結(jié)合容器失效受到的不同力的大小，將薄膜應(yīng)力劃分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm和局部應(yīng)力PL，彎曲應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力Pb和二次應(yīng)力Q，另外包含峰值應(yīng)力F，要求各應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到如表1所示的限制標(biāo)準(zhǔn)[1]。要求各類應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用極限要求，實際在分析時需要考慮溫度等因素給材料性能帶來的影響，因此要求應(yīng)力強(qiáng)度值不超疲勞曲線峰值幅度。

表1 各應(yīng)力強(qiáng)度限制標(biāo)準(zhǔn)

二、基于整體有限元應(yīng)力分析的齒嚙式快開壓力容器設(shè)計方法

（一）設(shè)計參數(shù)

在容器設(shè)計方面，內(nèi)直徑為2500mm，工作溫度達(dá)225℃，壓力為5MPa，設(shè)計壓力為5.5MPa，水試驗壓力達(dá)6.9MPa。封頭和筒體采用Q345材質(zhì)，楔塊為45#鋼，法蘭和卡箍為20MnMoIII材質(zhì)，各材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料性能參數(shù)

（二）應(yīng)力分析

如圖1所示，通過對施加容器實際工況載荷，能夠確定應(yīng)力分布情況，應(yīng)力最大位置位于法蘭齒面和楔塊間。選取危險截面進(jìn)行應(yīng)力評定，發(fā)現(xiàn)齒面與楔塊接觸位置應(yīng)力達(dá)到466MPa，上法蘭最大達(dá)368MPa，下法蘭最大251MPa，上楔塊最大218MPa，下楔塊最大346MPa，卡箍最大423MPa，筒體最大198MPa，封頭最大為184MPa。根據(jù)分析結(jié)果可知，齒面和楔塊位置成為最可能引發(fā)容器失效的部位。

針對高應(yīng)力區(qū)域，選取多個截面進(jìn)行應(yīng)力分析，需要將不連續(xù)或應(yīng)力集中界面當(dāng)成是強(qiáng)度評定依據(jù)。通過選取9條危險路徑展開分析，結(jié)果如表3所示，說明各部分應(yīng)力強(qiáng)度合格。對容器疲勞問題展開分析可知，循環(huán)加載荷載的情況下，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。按照累計損傷準(zhǔn)則進(jìn)行0～5MPa載荷循環(huán)加載，次數(shù)達(dá)到1000次，并循環(huán)開展30次水壓試驗。期間，載荷最低為0MPa，溫度為0℃，最高為5MPa，溫度為200℃[2]。通過反復(fù)分析，確認(rèn)累積系數(shù)值為0.385，比1小，因此容器不會出現(xiàn)疲勞失效情況，能夠驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有效性。在整體有限元應(yīng)力分析過程中，可以發(fā)現(xiàn)相同工況下楔塊、封頭等位置的應(yīng)力強(qiáng)度較小，能夠通過適當(dāng)減小材料厚度節(jié)約成本，同時保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求，充分展現(xiàn)設(shè)計方案的實用性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 工作載荷下容器應(yīng)力分布圖

表3 危險路徑評定結(jié)果

三、結(jié)論

建立整體有限元分析模型，通過對不同類型應(yīng)力進(jìn)行組合完成容器應(yīng)力評估，要求做好邊界條件處理，在加載歷程中利用加載增量情況進(jìn)行模擬分析，通過將接觸單元問題導(dǎo)入中模型中確認(rèn)容器是否存在應(yīng)力超限部位。根據(jù)分析結(jié)果確認(rèn)容器是否會出現(xiàn)疲勞失效問題，能夠做到合理進(jìn)行容器結(jié)構(gòu)設(shè)計，為容器安全、可靠運(yùn)行提供保障。