舒安慶，陳西茜，鮑　沖，鄧　陸，魏化中武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205

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高溫高壓快開門壓力容器的強度評定及疲勞分析

舒安慶，陳西茜，鮑沖，鄧陸，魏化中
武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205

摘要：通過對快開門壓力容器的實際問題的本質認識和分析，建立了符合實際情況的高溫高壓快開門壓力容器的有限元分析模型，求得工作載荷下的應力狀態(tài)，對危險路徑進行了強度評定并對應力峰值點進行了疲勞分析.結果表明，該設計參數的高溫高壓快開門壓力容器在工作狀況下同時滿足設計強度要求和疲勞要求.對高溫高壓快開門壓力容器的結構優(yōu)化，定期檢測維護等提供了參考.

關鍵詞：高溫；高壓；快開門壓力容器；強度評定；疲勞分析

1　引　言

快開門壓力容器具有開啟速度快、物料裝卸方便等特點，被廣泛應用于化工、石油、醫(yī)療、紡織、食品、航天、建材、造紙等工業(yè)領域，其工作壓力一般為0.8～6.4 MPa.隨著工業(yè)的需求和科學技術的不斷發(fā)展，高溫、高壓甚至超高壓快開門壓力容器也逐漸投入到生產應用當中［1］.

快開門壓力容器需要頻繁啟閉，承受著升溫、升壓、降溫、降壓等循環(huán)工作載荷，局部不連續(xù)結構在循環(huán)載荷下產生疲勞裂紋甚至發(fā)生疲勞破壞是快開門壓力容器的主要破壞形式之一［2］.隨著高溫高壓快開門壓力容器應用日趨增多，它的頻繁使用對容器安全帶來新的問題：1）快開門壓力容器在高溫和高壓交互作用下的結構強度是否能夠滿足設計使用要求；2）快開門壓力容器主要受壓部件受溫度、壓力等循環(huán)交變載荷的情況越來越多，局部發(fā)生疲勞的可能性增大.然而，在設計階段要檢驗一個產品是否符合要求往往要做出系列樣品進行試驗，試驗后樣品原件已經遭到破壞，這樣不僅過程繁瑣而且造成極大的資源浪費［3］，因此利用ANSYS有限元分析軟件，對內徑為Φ1 100 mm、內部工作溫度為800℃、工作壓力為15 MPa的高溫高壓快開門壓力容器進行了數值模擬分析，進而對其進行強度評定和疲勞分析，以彌補設計試驗驗證的不足，為找出高溫高壓快開式壓力容器結構疲勞薄弱部位，進行結構優(yōu)化，制定定期檢測維護方案等提供參考.

2　實驗部分

2.1快開門壓力容器強度評定及疲勞分析方法

2.1.1快開門壓力容器強度評定方法快開門壓力容器強度評定的目的是驗證在高溫高壓環(huán)境下其結構強度是否滿足強度設計要求.其強度評定方法如下：1）確定分析工況；2）分析各工況下的結構應力分布狀況；3）選取危險截面并定義危險路徑；4）將求解工況下的應力映射到選取的危險路徑上；5）提取應力結果，并按照鋼制壓力容器分析設計標準進行強度評定.

2.1.2快開門壓力容器疲勞分析方法快開門壓力容器疲勞分析的目的是驗證在高溫高壓條件下其結構是否滿足疲勞設計要求，并通過疲勞分析確定結構的疲勞薄弱部位，從而為結構優(yōu)化及制定定期檢測維護方案提供參考.利用ANSYS進行疲勞分析的步驟如下：1）通過靜強度分析得到各波動主應力差的最大波動范圍；2）在危險點設置事件數及組成這些事件的載荷，保存這些位置上的應力結果；3）參照鋼制壓力容器分析設計標準輸入材料的疲勞參數；4）在選定的位置上定義應力集中系數并給每個應力循環(huán)定義比例系數；5）求解得到危險點的疲勞累積使用系數［4］.

2.2快開門壓力容器有限元分析

2.2.1問題分析高溫高壓快開門壓力容器由上法蘭、下法蘭、上平蓋、下平蓋、上卡環(huán)、下卡環(huán)、筒體、夾套及輔助工具等組成.其工作原理如下：在筒體內腔充入惰性氣體至一定壓力后停止加壓；對筒體內部氣體加熱至800℃；此時容器內壓力為15 MPa.裝置內壁設有保溫隔熱層，外壁設有冷卻水夾套，因此筒體壁溫在200℃以下.整體結構如圖1所示.

圖1　快開門壓力容器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of quick?opening pressure vessel

2.2.2快開門裝置結構參數和材料屬性快開門壓力容器主要設計基本參數如表1所示，材料性能參數如表2所示.

表1　快開門壓力容器主要設計參數Tab. 1　Main design parameters

由于快開門模型具有對稱性，為節(jié)省計算時間，取模型的1/3作為計算對象.快開門壓力容器幾何模型如圖2所示.對于快開門模型，選用8節(jié)點六面體單元Solid185、三維熱單元Solid70分別對實體模型中相應部分進行網格劃分［5］，劃分結果為模型含單元171 761個，節(jié)點共55 188個.快開門壓力容器網格模型如圖3所示.

表2　材料性能參數Tab. 2　Material property parameters

圖2　快開門壓力容器幾何模型Fig. 2 Geometric model of quick?opening pressure vessel

圖3　快開門壓力容器網格模型Fig. 3 Meshing model of quick?opening pressure vessel

2.2.3接觸設置在有限元分析中，當兩個分離的表面互相接觸并互切時，就稱它們處于接觸狀態(tài).如果不同的部件之間沒有共節(jié)點或粘接在一起，有時還需要考慮相互之間相對運動摩擦力的問題，就有必要在模型中定義接觸.當施加載荷后，快開門壓力容器上、下卡箍與卡環(huán)的接觸面產生相互滑動和擠壓，這種接觸可以定義為面與面的接觸問題［6］.因此在上平蓋、上法蘭及上卡環(huán)和下平蓋、下法蘭及下卡環(huán)之間分別定義兩組面?面接觸，接觸對目標單元和接觸單元分別采用TARGE170和CONTA174.

2.2.4施加邊界條件根據該容器的受力特點，分別為模型施加對稱約束和位移約束、結構載荷和熱載荷.由于快開門壓力容器模型為1/3模型，需在各對稱面上施加軸對稱約束［7］.根據實際工作狀況，容器的工作壓力為15 MPa，因此在整體結構內表面施加大小為15 MPa的內壓.共設置模型外表面與空氣和水兩種對流傳熱邊界，內表面溫度設為容器可能到達的最高溫度200℃.在容器端面設置軸向位移約束.快開門壓力容器邊界條件如圖4所示.

圖4　快開門壓力容器邊界條件Fig. 4　Boundary conditions of quick?opening pressure vessel

2.3快開門壓力容器強度評定及疲勞分析

2.3.1快開門壓力容器強度評定分析結果表明，快開門壓力容器在工作狀況下筒體與上法蘭連接部位應力最大，其大小為330.8 MPa.其他部位應力仿真結果如表3所示.

分別選取結構不連續(xù)部位或有較高應力集中的那些截面作為危險截面，根據JB4732?2005第四部分應力強度的相關規(guī)定對其進行強度評定.快開門壓力容器的23條危險評定路徑如圖5所示，強度評定結果如表4所示.

由表4的評定結果可以看出，按照鋼制壓力容器分析設計標準進行強度評定，其23條路徑評定結果均為合格.

2.3.2快開門壓力容器疲勞分析產生疲勞破壞的主要因素包括：載荷的循環(huán)次數；每個循環(huán)的平均應力；存在局部應力集中現象.

1）快開門壓力容器有限元疲勞分析計算

高溫高壓快開門壓力容器的兩個循環(huán)事件分別為0～15 MPa的工作載荷循環(huán)（循環(huán)次數為10 000次）和0～20 MPa的水壓試驗載荷循環(huán)（循環(huán)次數為30次），最高工作載荷為15 MPa、200℃，最低工作載荷為0 MPa、0℃；Sa值取為JB4732?2005中極限抗拉強度≤552 MPa的Sa值；應力集中系數為1，水壓試驗和實際工作狀況下的循環(huán)比例系數分別為1.34和1.1.快開門壓力容器的整體應力波幅云圖及各部件應力波幅圖如圖6所示.

表3　應力分析結果Tab. 3　Stress analysis results

圖5　強度評定路徑圖Fig. 5　Diagram of strength evaluation path

由圖6可知，在壓力載荷和溫度載荷的共同作用下，該高溫高壓快開門壓力容器的應力最大值位于上法蘭和筒體連接結構不連續(xù)處，最大應力值為330.82 MPa，節(jié)點號為49 693.由ANSYS計算可得，累積使用系數值為0.304 84，小于1.0，容器不會發(fā)生疲勞失效.

2）快開門壓力容器疲勞理論計算

為進一步驗證ANSYA有限元軟件疲勞分析模塊的準確性和可靠性，按照行業(yè)標準JB4732?1995（2005年確認）通過計算疲勞累積系數與有限元疲勞分析計算結果進行比較.

表4　工作載荷下路徑評定結果Tab. 4　Evaluation results in work load path

圖6　整體應力波幅圖Fig. 6　Integral stress wave amplitude

考慮實際正常工作循環(huán)與水壓試驗循環(huán)這兩個應力循環(huán)的疲勞累積損傷效應.

正常工作循環(huán)時：

壓力P＝15 MPa，溫度t＝200℃，產生應力差值由0到330.84 MPa之間變換，應力循環(huán)次數n1＝10 000.

波動主應力差的交變應力強度為

水壓試驗循環(huán)時,壓力P＝20 MPa,溫度t＝20℃，產生應力差值由0到440.02 MPa之間變換，應力循環(huán)次數n2＝30.

波動主應力差的交變應力強度為

利用設計疲勞曲線和精確插值公式［8］

計算得到Salt1、Salt2單獨作用時的允許循環(huán)次數N1＝32 982、N2＝18 190.工作載荷與水壓試驗載荷應力循環(huán)使用系數分別為：

計算累積使用系數為

通過理論計算結果U＝0.30與ANSYS分析結果U'＝0.304 84進行對比，誤差為

由于理論方法計算氣壓釜所有節(jié)點上的應力值十分困難，目前尚無文獻可供參考，可利用ANSYS有限元仿真結果得到各點應力幅值及其分布，通過提取危險節(jié)點的應力幅值帶入JB4732精確插值公式中進行理論計算，并將其理論值與仿真結果進行對比.對比結果顯示，利用ANSYS疲勞分析模塊進行疲勞失效分析與JB4732理論計算結果基本一致，可以得出結論：ANSYS疲勞分析計算具有較高的準確性與可靠性，JB4732為ANSYS疲勞仿真計算提供理論支撐，同時ANSYS疲勞仿真計算既能得到高的精度又能得到模型任意位置的疲勞累計次數，從而避免傳統(tǒng)設計試驗階段的不足，兩者相輔相成，共同為設計提供可靠而有效的依據.

3　結　語

通過對實際問題進行認識和分析，才能建立與實際工作狀況相符并且求解精度較高的有限元分析模型.

通過對快開門壓力容器的有限元分析可以看出，快開門壓力容器在內壓15 MPa、溫度800℃的工作條件下，筒體與上法蘭連接部位應力最大，其大小為330.82 MPa.

對快開門壓力容器選取的23條危險路徑依據鋼制壓力容器分析設計標準進行強度評定，評定結果表明23條危險截面路徑強度均滿足強度設計要求，且部分路徑強度有較大的余量.

對快開門壓力容器兩個循環(huán)事件條件下疲勞分析結果表明快開門壓力容器在節(jié)點號為49 693處的累積使用次數最大，其值為0.304 84小于1，分析結果證明高溫高壓快開門壓力容器滿足內壓15 MPa、工作溫度800℃條件下的10 000次循環(huán)的設計要求.

對于此次分析的工作溫度800℃、工作壓力15 MPa、內徑1 100 mm的高溫高壓快開門壓力容器，使用過程中應重點檢查筒體與上法蘭連接部位、筒體與下法蘭連接部位、上卡環(huán)和下卡環(huán)等.

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本文編輯：陳小平

Evaluating Strength and Analyzing Fatigue of Quick?Opening Pressure Vessel Based on Finite Element Method

SHU Anqing，CHEN Xixi，BAO Chong，DENG Lu，WEI Huazhong
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：We constructed the finite element analysis model of quick open?door pressure vessel according to the actual situation. After getting the stress state in working loads，the strength of the dangerous path was evaluated and the fatigue of the peak point of the corresponding force was analyzed. The analysis results show that the design parameters of the high temperature and high pressure quick?opening pressure vessel meet both the design strength and fatigue requirements. This method provide a reference for the structural optimal plan and the develop?ment of regular inspection and maintenance programs for the high temperature and high pressure quick?opening pressure vessel.

Keywords：high temperature；high pressure；fast open?door pressure vessel；strength evaluation；fatigue analysis

作者簡介：舒安慶，碩士,教授. E-mail：shuanqing@wit.edu.cn

收稿日期：2015-11-02

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0088 - 06

中圖分類號：TQ053

文獻標識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 016