疲勞設(shè)備的安全設(shè)計(jì)及有限元分析

劉立凱，趙文明

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳陽 414007

疲勞設(shè)備的安全設(shè)計(jì)及有限元分析

劉立凱，趙文明

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳陽 414007

本文采用ANSYS Workbench分析軟件，對工藝氣儲(chǔ)罐載荷分析、建模、應(yīng)力計(jì)算及疲勞分析評(píng)定等，重點(diǎn)闡述了有限元分析的整個(gè)過程；通過應(yīng)力產(chǎn)生原因及消除機(jī)理的分析，簡要敘述了疲勞設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需注意的問題。

載荷分析；疲勞曲線；疲勞分析；安全設(shè)計(jì)

在壓力容器的設(shè)計(jì)過程中主要只考慮靜載荷，實(shí)際上，壓力容器在交變載荷下運(yùn)行是常有的，根據(jù)20世紀(jì)80年代的有關(guān)統(tǒng)計(jì)，壓力容器與管道的失效事故中疲勞失效約占40%左右[1]。因此，對于有交變載荷設(shè)備，應(yīng)進(jìn)行疲勞分析，以保證承受交變載荷的化工設(shè)備在使用壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生疲勞破壞。

工藝氣儲(chǔ)罐在使用過程中為定期裝料、卸料，所以操作壓力為周期循環(huán)。本文以該設(shè)備為設(shè)計(jì)對象，按JB 4732-1995（2005年確認(rèn)版）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對設(shè)備進(jìn)行疲勞分析，用ANSYS Workbench進(jìn)行建模、應(yīng)力計(jì)算，而后進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

1 工藝氣儲(chǔ)罐主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及載荷

1.1主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（表1）

工藝氣儲(chǔ)罐公稱直徑為DN1200mm、筒體長度為2 500mm、上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭、下封頭為60°折邊錐形封頭，上封頭N2接管承受有200 000N·mm的彎矩。

表1 設(shè)備操作參數(shù)

工作壓力（MPa）0～0.8工作溫度（℃）225物料名稱工藝氣體主體材質(zhì)Q245R腐蝕裕量1.5循環(huán)次數(shù)共250 000次

1.2載荷分析

根據(jù)本案的實(shí)際情況，需要考慮以下3種主要載荷：

1）跟主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如壓力、溫度等相關(guān)的均勻分布載荷。

2）作用于設(shè)備局部區(qū)域的載荷，比如N2接管承受的彎矩。

3）設(shè)備開、停車次數(shù)的影響，操作波動(dòng)的幅度和周期的影響等。

2 應(yīng)力分析

本文采用ANSYS Workbench進(jìn)行三維建模及應(yīng)力計(jì)算。

2.1建模

本案例涉及到開孔補(bǔ)強(qiáng)及疲勞分析，且部分接管有接管載荷，應(yīng)選擇3D實(shí)體模型。為節(jié)約計(jì)算，將整臺(tái)設(shè)備分為三部分進(jìn)行計(jì)算，三維建模將其分為三段模型。

2.2模型網(wǎng)格劃分

在Engineering Data里面設(shè)置好各個(gè)部件材料的屬性置好后，再對三段模型劃分網(wǎng)格，本設(shè)備采用Sweep網(wǎng)格劃分。

2.3對模型施加邊界條件

1）對稱面施加對稱約束（workbench中采用Symmetry自動(dòng)施加對稱約束）。

2）位移邊界條件：約束筒體端面處所有節(jié)點(diǎn)的周向和軸向自由度；在筒體的端面中心都添加Cylindrical Support，并設(shè)置軸向?yàn)镕ixed，切向及徑向?yàn)镕ree。

2.4求解及計(jì)算結(jié)果

在添加約束完成后，進(jìn)行求解運(yùn)算。其計(jì)算應(yīng)力分布云圖如圖1所示。

圖1　工藝氣儲(chǔ)罐應(yīng)力云圖

2.5有限元精度評(píng)估

取上部筒體遠(yuǎn)離接管的一處做路徑（PATH）進(jìn)行線性化處理，計(jì)算 結(jié)果中一次總體薄膜應(yīng)力Pm＝3.564MPa.根據(jù)JB4732中公式可以得出：S＝53.524MPa，從而Pm/S=53.524/53.564=0.999，故有限元計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果相吻合，計(jì)算精度滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3 疲勞分析

疲勞強(qiáng)度是在操作工況（Pw＝0～0.8MPa）下進(jìn)行評(píng)定的。首先求出操作溫度下，各個(gè)部件中最大的應(yīng)力幅值（用最高工作壓力0.8MPa工況的應(yīng)力減去最低工作壓力0MPa工況的應(yīng)力；應(yīng)力范圍的一半，即為應(yīng)力強(qiáng)度幅值），然后按進(jìn)行修正，得到修正后的應(yīng)力幅值。用修正后的應(yīng)力幅值，查JB4732圖C-2疲勞曲線，如果該值小于1，則疲勞分析通過；如果不滿足，修改結(jié)構(gòu)，重新計(jì)算，直到滿足要求為止。

3.1疲勞分析部位的確定

由計(jì)算應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力點(diǎn)即為人孔接管與筒體的焊接根部。且整臺(tái)設(shè)備各點(diǎn)操作狀態(tài)相同，故選擇該點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。

3.2疲勞分析評(píng)定

通過圖1可知，整臺(tái)設(shè)備中最大應(yīng)力幅Salt＝186.06/2＝93.03MPa。

按JB4732中節(jié)C2.2計(jì)算

查圖C-1中疲勞曲線得到許用疲勞次數(shù)N＝3.15×105次。

設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)n＝2.5×105次。

按JB4732中c2.2計(jì)算，累計(jì)使用系數(shù)U=0.794<1，疲勞評(píng)定合格。

4 疲勞設(shè)備的安全設(shè)計(jì)

為提高壓力容器疲勞壽命，可采取如下措施：

1）盡量保持設(shè)備結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，降低應(yīng)力集中。加工中要注意減少成型偏差，焊縫余高要打磨平滑；采用圓滑過渡，避免使用墊板、補(bǔ)強(qiáng)圈等非整體連接件

2）冷作硬化處理，產(chǎn)生較高的壓縮殘余應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。

3）機(jī)械超載，可使壓力容器自行增強(qiáng)。

4）設(shè)備熱處理，可有效消除殘余應(yīng)力。

5 結(jié)論

石油化工的快速發(fā)展，新工藝的開發(fā)，化工設(shè)備承受交變載荷的情況日益增多，產(chǎn)生疲勞失事的概率越來越高，化工設(shè)備的疲勞分析越來越引工程設(shè)計(jì)人員的重視和關(guān)注。當(dāng)前，數(shù)值模擬技術(shù)，尤其是有限元分析（FEA）變得越來越流行，已經(jīng)成為壓力容器分析設(shè)計(jì)和疲勞評(píng)定的通用手段和工具。疲勞設(shè)備的設(shè)計(jì)將與普通設(shè)備設(shè)計(jì)一樣普及，其設(shè)計(jì)、制造將更為合理、經(jīng)濟(jì)。

[1]李建國，壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：172.

TP3

A

1674-6708（2016）171-0241-02

劉立凱，湖南百利工程科技股份有限公司。趙文明，湖南百利工程科技股份有限公司。