鄭賢中，付 杰，劉根戰(zhàn)，羅 燕, 曹吉胤，楊 俠

(1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

反應(yīng)釜通常用來(lái)完成復(fù)雜工藝過(guò)程，本文涉及的反應(yīng)釜是用來(lái)完成鋁水反應(yīng)制氫工藝過(guò)程，其內(nèi)部需要承受一定強(qiáng)度的壓力。且反應(yīng)釜的封頭部位有5個(gè)接管，中間位置接管N1是進(jìn)料口，尺寸較大，較大的開(kāi)孔會(huì)破壞原封頭的結(jié)構(gòu)[1]，導(dǎo)致封頭上的應(yīng)力分布產(chǎn)生變化并引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成材料失效，使封頭部位發(fā)生過(guò)度變形甚至破裂等[2]，這將導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)氫氣泄漏造成重大安全問(wèn)題。因此分析反應(yīng)釜封頭上的應(yīng)力強(qiáng)度具有重要意義。本文使用SolidWorks對(duì)反應(yīng)釜封頭建模，使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析[3]，確保其滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。接著對(duì)封頭上平齊式和內(nèi)伸式接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析[4]。最后對(duì)大開(kāi)孔處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選擇補(bǔ)強(qiáng)管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以降低應(yīng)力，進(jìn)一步保證設(shè)備的安全性。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

此反應(yīng)釜封頭的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力為2.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度為200 ℃，最大內(nèi)徑為500 mm，壁厚為12 mm，主要受壓材料為S31603，材料的彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3。多接管封頭幾何模型如圖1所示，N1～N5分別是進(jìn)料口、進(jìn)水口、安全閥口、排氣抽真空口和氫氣出口，表1為各接管尺寸。

表1 各接管尺寸

圖1 多接管封頭幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

首先利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)多接管封頭進(jìn)行幾何建模，并對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理去掉接管上方法蘭。因幾何參數(shù)和載荷邊界條件均對(duì)稱，故可建立1/2模型進(jìn)行分析計(jì)算，以減小網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算量。整體網(wǎng)格通過(guò)了收斂性驗(yàn)證，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 多接管封頭網(wǎng)格劃分

1.3 載荷和約束

1.3.1 載荷

反應(yīng)釜封頭內(nèi)壁和接管內(nèi)壁施加均勻分布?jí)毫0=2.2 MPa；在接管軸端面施加軸向平衡載荷[5]，軸向平衡載荷的計(jì)算公式為：

其中：Do為接管外徑；Di為接管內(nèi)徑。經(jīng)計(jì)算，各接管施加的軸向平衡載荷為pN1=-8.28 MPa,pN2=-4.38 MPa,pN3=-2.37 MPa,pN5=-1.76 MPa(N4與N3對(duì)稱)。

1.3.2 約束

封頭與反應(yīng)釜筒體上法蘭焊接相接，所以對(duì)封頭下端面施加固定約束條件；對(duì)封頭和接管所在的對(duì)稱面施加無(wú)摩擦約束。施加載荷和邊界條件后的模型如圖3所示。

圖3 多接管封頭施加載荷和邊界條件 圖4 多接管封頭應(yīng)力云圖 圖5 應(yīng)力線性化路徑

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析結(jié)果

設(shè)計(jì)壓力下多接管封頭的整體應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力位于封頭外壁面與接管N1相貫線上，其值為146.93 MPa。此處應(yīng)力強(qiáng)度較大主要是由于應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中產(chǎn)生原因分別有：反應(yīng)釜封頭上的開(kāi)孔處使得整個(gè)結(jié)構(gòu)不連續(xù)；反應(yīng)釜封頭與接管處是焊接，焊縫有工藝缺陷；焊接時(shí)高溫會(huì)導(dǎo)致局部金屬進(jìn)行一次組織重組[6]。

2.2 應(yīng)力評(píng)定

2.2.1 應(yīng)力線性化路徑

對(duì)此多接管封頭進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處設(shè)置兩條路徑SCL1、SCL2，接管N1應(yīng)力最大處設(shè)置兩條路徑SCL3、SCL4，應(yīng)力線性化路徑設(shè)置如圖5所示。

2.2.2 應(yīng)力分類及評(píng)定結(jié)果

壓力容器在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷引起的薄膜應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力統(tǒng)稱為一次局部薄膜應(yīng)力，而總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力主要是二次應(yīng)力，峰值應(yīng)力僅是導(dǎo)致疲勞破壞和脆性斷裂的根源，故在此處不予考慮。

因此本文封頭在開(kāi)孔附近由內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力屬于一次局部薄膜應(yīng)力，彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)[2]應(yīng)力強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則為：

Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb≈Pl≤1.5KSm=1.5×80=120 MPa；

Pl+Pb+Q≤3KSm=3×80=240 MPa.

其中：Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，Sm=80 MPa；K為載荷組合系數(shù)，取K=1；Pl為一次薄膜應(yīng)力；Pb為一次彎曲應(yīng)力；Q為二次應(yīng)力。

各路徑應(yīng)力線性化分布曲線見(jiàn)圖6，各路徑具體應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各路徑下應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

圖6 應(yīng)力線性化曲線

綜上分析，此多接管封頭滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

3 大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 內(nèi)伸、平齊接管強(qiáng)度對(duì)比

在其他結(jié)構(gòu)與有限元設(shè)置相同的情況下，對(duì)內(nèi)伸式接管計(jì)算分析得出其整體應(yīng)力分布如圖7所示，內(nèi)伸式接管局部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖7可知，內(nèi)伸式接管結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力強(qiáng)度最大處仍在封頭與接管N1相貫線上，但其最大值達(dá)到了170.35 MPa，而平齊式接管結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為146.93 MPa，較內(nèi)伸式接管結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力低13.7%。因此，此多接管封頭采用平齊式接管結(jié)構(gòu)更好。

圖7 內(nèi)伸式接管整體應(yīng)力云圖 圖8 內(nèi)伸式接管局部結(jié)構(gòu) 圖9 補(bǔ)強(qiáng)后整體應(yīng)力云圖

3.2 大開(kāi)孔處結(jié)構(gòu)優(yōu)化

應(yīng)力集中現(xiàn)象具有以下特點(diǎn)：被開(kāi)孔殼體的δ/D越小，應(yīng)力集中情況越嚴(yán)重(δ為封頭厚度，D為孔徑)。大開(kāi)孔處孔徑尺寸較大，應(yīng)力集中情況較嚴(yán)重，對(duì)大開(kāi)孔處進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)則可以極大地改善應(yīng)力集中現(xiàn)象[7]。開(kāi)孔處補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)有三種，分別是補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，本文采用補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。其他尺寸、結(jié)構(gòu)不變，采用相同有限元分析方法分析計(jì)算，得出采用補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)后的多接管封頭的應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9可知，補(bǔ)強(qiáng)后的多接管封頭最大應(yīng)力仍位于封頭與接管N1相貫線處，其值為113.81 MPa，相比較于未采用補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力146.93 MPa，最大應(yīng)力降低了22.5%。因此對(duì)于此多接管封頭使用補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以大大降低其應(yīng)力集中問(wèn)題。

4 結(jié)論

(1) 以上有限元分析計(jì)算結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在封頭外壁面與接管N1相貫線上。因此此處容易發(fā)生損傷破壞，是最危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)對(duì)最危險(xiǎn)區(qū)域和次危險(xiǎn)區(qū)域處設(shè)定應(yīng)力線性化路徑，并進(jìn)行應(yīng)力線性化處理和分析評(píng)定，最終確定其應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

(2) 通過(guò)有限元分析軟件對(duì)大開(kāi)孔處接管結(jié)構(gòu)做了對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用平齊式接管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比采用內(nèi)伸式接管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力低，所以選用平齊式接管結(jié)構(gòu)更加合理。在此基礎(chǔ)上，還對(duì)大開(kāi)孔處結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，采用補(bǔ)強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)大大降低了其大開(kāi)孔處的應(yīng)力，使設(shè)備安全性進(jìn)一步得到提升。