基于有限元法的正交實(shí)驗(yàn)對蒸煮管大開孔處應(yīng)力分布的研究

劉超鋒 劉建秀 白 玉 伊萬成

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院過程裝備系環(huán)境污染治理與生態(tài)修復(fù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州，450066;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州，450066;3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州，450066;4.北京翔升科創(chuàng)科技有限公司，北京，100027)

過程設(shè)備幾乎沒有不開孔的。開孔處存在局部高應(yīng)力，從而使其承壓能力下降，尤其是徑向大開孔結(jié)構(gòu)，這在壓力容器設(shè)計(jì)中常常會遇到。根據(jù)調(diào)研，制漿工段所用蒸煮管的工作壓力、工作溫度一般分別為 0.55～1.0 MPa、140～190℃。紙漿廠使用的蒸煮管內(nèi)徑為1～2.13 m;筒體(常見材質(zhì)有20G、Q245R、Q345R、18-8系奧氏體不銹鋼、復(fù)合鋼板)的常見名義壁厚為16～26mm。由于種種原因，現(xiàn)場設(shè)備布置得過于緊湊，工作環(huán)境的溫度高、壓力高，使得操作人員很難接近。即使采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭，也未必能進(jìn)行100%的無損檢測。因此，設(shè)計(jì)時(shí)焊接接頭系數(shù)一般選0.85，蒸煮管進(jìn)出料口的內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑之比為(0.5～0.8)∶1，此類大開孔進(jìn)出料口常用內(nèi)徑為680、800 mm。

蒸煮管這種大開孔的壓力容器運(yùn)行若干年后可能會出現(xiàn)壁厚減?。?］。利用簡單、準(zhǔn)確、快速的辦法給出該壓力容器的壁厚和應(yīng)力大小之間的關(guān)系，對于企業(yè)安全生產(chǎn)特別重要。為了解決此類設(shè)備在采用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測定時(shí)操作不方便、代價(jià)昂貴的現(xiàn)實(shí)問題，本研究利用有限元軟件，對開孔處主要特征參數(shù)對殼體的最終壁厚設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了較為全面的分析。

1 研究方案

在蒸煮管上大開孔結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片實(shí)測應(yīng)力［2-3］的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了有限元計(jì)算(見表1)。表1表明，與實(shí)測應(yīng)力相比，有限元計(jì)算的結(jié)果最大誤差僅為2.88%，表明有限元法用于計(jì)算此類承壓結(jié)構(gòu)壁厚是可行的。

表1 開孔處最高應(yīng)力 MPa

為了提高有限元計(jì)算結(jié)果的全面性，用正交實(shí)驗(yàn)法研究各參數(shù)由于開孔對殼體最終設(shè)計(jì)壁厚的影響。被分析的蒸煮管的主要數(shù)據(jù)如下:圓筒體內(nèi)徑1370 mm，開孔處徑向接管內(nèi)徑800 mm，補(bǔ)強(qiáng)圈外徑1200 mm。在有限元計(jì)算時(shí)，選取筒體長度、接管長度應(yīng)考慮邊緣應(yīng)力的邊界效應(yīng)。焊接接頭結(jié)構(gòu)尺寸按照行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選取。該容器的工作壓力0.8 MPa，工作溫度170℃。由于介質(zhì)pH值較高，工作溫度也不低，因此，當(dāng)其材質(zhì)為碳鋼時(shí)，腐蝕裕量為2 mm;其材質(zhì)為不銹鋼時(shí)，如果認(rèn)為介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，腐蝕裕量為0。計(jì)算中忽略管口載荷的影響。徑向大開孔的筒體一端施加固定約束。利用有限元法進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所考慮的3個(gè)因素(自變量)為:殼體厚度(A)、筒體材質(zhì)(B)(符合GB150—2011“壓力容器”［4］)、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度(C)，同時(shí)，選取3個(gè)水平。正交實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)是“工作應(yīng)力計(jì)算值與應(yīng)力的許用極限的最大比值”。該值小于1且接近1，才能既安全又經(jīng)濟(jì)。

2 正交實(shí)驗(yàn)過程

首先進(jìn)行了A因素水平1的正交實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表2所示。

表2 初步的正交實(shí)驗(yàn)表及正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

若工作應(yīng)力計(jì)算值與應(yīng)力的許用極限的最大比值超過1，那么不能滿足JB 4732—1995“鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”(2005年確認(rèn)版)規(guī)定［5］的強(qiáng)度要求。水平組合為A1B1C3(殼體計(jì)算厚度8 mm、材質(zhì)為Q245R、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度12 mm)和A1B3C3(殼體計(jì)算厚度8 mm、材質(zhì)為06Cr19Ni10、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度24 mm)均無法滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)，考慮到“補(bǔ)強(qiáng)圈厚度與被補(bǔ)強(qiáng)殼體名義壁厚之比不超過1.5”之強(qiáng)制性規(guī)定，在計(jì)算相應(yīng)因素的水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值時(shí)水平組合A1B2C2(殼體計(jì)算厚度8 mm、材質(zhì)為Q345R、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度21 mm)也不被考慮?？傊珹因素的水平太低，因此，以下實(shí)驗(yàn)將A因素的最低水平調(diào)整至14 mm。正交實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)條件和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 殼體計(jì)算厚度(A)的影響

A因素的1水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kA1為(0.855+0.533+0.713)/3=0.703。A 因素的2水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值 kA2為(0.633+0.445+0.687)/3=0.588。A 因素的 3 水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kA3為(0.527+0.410+0.528)/3=0.488。

由于kA1＞kA2＞kA3，因此，A1為A因素的優(yōu)水平，此時(shí)對應(yīng)的殼體計(jì)算厚度為14 mm。

3.2 材質(zhì)(B)的影響

B因素的1水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kB1為(0.855+0.633+0.527)/3=0.672。B 因素的2水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值 kB2為(0.533+0.445+0.410)/3=0.463。B 因素的 3 水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kB3為(0.528+0.687+0.713)/3=0.643。

由于kB1＞kB3＞kB2，因此，可斷定B1為B因素的優(yōu)水平，此時(shí)對應(yīng)的材質(zhì)為Q245R。

3.3 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度C的影響

C因素的1水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kC1為(0.855+0.687+0.410)/3=0.651。C 因素的2水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值 kC2為(0.533+0.633+0.528)/3=0.565。C 因素的 3 水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值kC3為(0.527+0.445+0.713)/3=0.562。

由于kC1＞kC2＞kC3，因此，可斷定C1為C因素的優(yōu)水平，此時(shí)對應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為12 mm。

3.4 確定因素的主次順序

根據(jù)極差Rj的大小，可以判斷各因素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響主次。A因素對應(yīng)的極差RA為(0.703-0.488)=0.215。B 因素對應(yīng)的極差 RB為(0.672-0.463)=0.209。C 因素對應(yīng)的極差 RC為(0.651-0.562)=0.089。極差越大，表示該因素的水平變化對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因素越重要。因此，A、B、C這3個(gè)影響因素中，主次順序?yàn)锳＞B＞C。

4 結(jié)語

在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，殼體計(jì)算厚度(A)14 mm、材質(zhì)(B)為Q245R、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度(C)12 mm的組合為最佳組合。在影響工作應(yīng)力計(jì)算值與應(yīng)力的許用極限的最大比值的3個(gè)因素中，殼體計(jì)算厚度影響最大，為主要因素，其次為材質(zhì)，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為不重要因素。

對壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，不僅可以提供可靠的有限元理論計(jì)算結(jié)果，還可以節(jié)約壓力容器的造價(jià)，特別是單根蒸煮管的鋼材質(zhì)量超過45 t以上［6］。通過承壓結(jié)構(gòu)壁厚優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)壓力容器的輕量化，經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。

［1］王道文，史曉冬.橫管連蒸制漿系統(tǒng)中蒸煮管壁減薄的原因分析［J］.中國造紙，2011，30(2):38.

［2］章春亮，陳祥龍.橫式連續(xù)蒸煮管大開孔實(shí)測應(yīng)力分析［J］.輕工機(jī)械，1990，8(2):18.

［3］章春亮，陳祥龍，方 英，等.橫式連續(xù)蒸煮管大開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)［J］.中國造紙學(xué)報(bào)，1990，5:88.

［4］全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 150—2011壓力容器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［5］全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB 4732—1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:新華出版社，2005.

［6］劉建蒙，黃德山，崔學(xué)錄.橫管式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)用蒸煮管的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.輕工機(jī)械，2013，31(1):60.