基于ANSYS對(duì)某含有凹坑缺陷發(fā)酵罐的靜力分析

時(shí)黛 林國(guó)慶

摘 ?????要：對(duì)含有凹坑缺陷的發(fā)酵罐按照GB/T19624-2004《在用缺陷壓力容器安全評(píng)定》進(jìn)行安全性評(píng)定，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS對(duì)不同間距的軸向排列的多凹坑進(jìn)行靜力分析，得到軸向排列的多凹坑的最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)與相鄰凹坑間距和數(shù)量的關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析可知，當(dāng)相鄰凹坑間距增大到L/X≥3.0時(shí)，各凹坑之間的應(yīng)力分布幾乎無(wú)影響;應(yīng)力集中系數(shù)隨著兩凹坑中心距的增加而減小，當(dāng)間距L/X<3時(shí)其變化幅度較大，當(dāng)L/X≥3后趨于恒定;同時(shí)最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)與凹坑缺陷數(shù)量成正比，而與相鄰的凹坑間距成反比。

關(guān) ?鍵 ?詞：凹坑;安全評(píng)定;靜力分析;應(yīng)力集中系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 051.3???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）11-2564-05

Static Analysis of Fermentation Tank With Pit Defect Based on ANSYS

SHI Dai， LIN Guo-qing^*

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin Province Jilin City 132022， China）

Abstract： Safety assessment of fermentation tank with pit defect was carried out in accordance with GB/T19624-2004 "Safety Assessment of Pressure Vessels with Defects in Use". On this basis， the static analysis of multi-pits with different spacing was carried out by ANSYS， and the maximum stress value and stress concentration coefficient of multi-pits with axial arrangement and between adjacent pits were obtained. The relationship between distance and quantity showed that when the distance between adjacent pits increased to?L/X≥3.0 the stress distribution between the pits had little effect. The stress concentration factor decreased with the increase of the distance between the two pits， the variation range was larger when the distance L/X<3 and tended to be constant while the distance?L/X>3. At the same time， the maximum stress value and the concentration factor were proportional to the number of pit defects and inversely proportional to the distance between adjacent pits.

Key words： Pits; Safety assessment; Static analysis; Concentration factor

在腐蝕環(huán)境下而形成的腐蝕凹坑是引起金屬材料發(fā)生失效的主要形式之一，腐蝕凹坑形成后會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生及擴(kuò)展，最終發(fā)生失效而縮短部件的使用壽命，通常雖然腐蝕速率較慢，但一旦腐蝕凹坑形成其點(diǎn)蝕速度卻非?？?，嚴(yán)重威脅著設(shè)備的安全運(yùn)行。

本文中發(fā)酵罐主要應(yīng)用在沼氣工業(yè)中，其發(fā)酵物料主要為生活垃圾等帶有腐蝕性的介質(zhì)，所以隨著發(fā)酵罐的運(yùn)行和服役時(shí)間的推移，勢(shì)必會(huì)在罐體上產(chǎn)生腐蝕等，很容易在罐體的內(nèi)表面形成大量的腐蝕凹坑。因凹坑缺陷破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，會(huì)使缺陷部位發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象^[1]，同時(shí)由于發(fā)酵罐在運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部物料的一些物化特性變化而使發(fā)酵罐處于復(fù)雜的工作環(huán)境中，加大了凹坑處產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)展的可能性，使發(fā)酵罐的承載能力及安全性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)含有不同結(jié)構(gòu)尺寸及數(shù)量的凹坑進(jìn)行靜力分析并進(jìn)行安全評(píng)定。

1 ?凹坑尺寸的確定

發(fā)酵罐內(nèi)表面的凹坑多數(shù)是因腐蝕而引起的，其表面粗糙不光滑，易引起應(yīng)力集中，使安全性降低，因此在進(jìn)行安全評(píng)定及應(yīng)力分析前，首先應(yīng)把凹坑盡量打磨光滑，使表面無(wú)明顯的腐蝕跡象^[2]，同時(shí)也要保證腐蝕凹坑從坑底到罐體內(nèi)表面要過(guò)渡平緩，且不可出現(xiàn)急劇變化的截面，凹坑的數(shù)量以及相鄰凹坑的間距都影響著發(fā)酵罐的使用壽命，對(duì)于同一條件下凹坑所引起的應(yīng)力，其軸向排列的凹坑所產(chǎn)生的應(yīng)力要明顯高于環(huán)向排列的凹坑應(yīng)力^[3]，故本文主要針對(duì)軸向排列的凹坑進(jìn)行研究。

發(fā)酵罐選擇含有淺球凹坑的圓柱形殼體為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)壓力為0.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為100 ℃，盛裝生活垃圾等半固體物料，罐體所用材料為Q345R，筒體內(nèi)徑為1 000 mm，焊接接頭系數(shù)為1，彈性模量209 GPa，泊松比0.28。雙凹坑的尺寸示意圖如圖1所示。

通常，腐蝕凹坑多位于罐體的內(nèi)表面，凹坑深度<10%?時(shí)，其影響可忽略，但當(dāng)凹坑深度達(dá)到（10%～80%）?時(shí)，需要對(duì)壓力容器重點(diǎn)監(jiān)測(cè)^[4]。假設(shè)凹坑的x方向的寬度一致均取2X=50 mm，分析兩凹坑的圓心距與X方向?qū)挾葹椴煌戎禃r(shí)的應(yīng)力分布情況，即L/X分別取0、1、2、3、4和5。為了使研究具有代表性，選擇凹坑深度為4?mm。

2 ?凹坑缺陷的安全評(píng)定

腐蝕缺陷的存在會(huì)使發(fā)酵罐的強(qiáng)度降低，對(duì)發(fā)酵罐的安全運(yùn)行產(chǎn)生隱患。因此，需要對(duì)含有凹坑缺陷的發(fā)酵罐進(jìn)行安全評(píng)定，以確保其安全性。

對(duì)含有凹坑缺陷的發(fā)酵罐進(jìn)行安全評(píng)定的步驟為^[5]：

（1）識(shí)別缺陷;

（2）確定缺陷部位及尺寸;

（3）確定材料性能數(shù)據(jù);

（4）計(jì)算無(wú)量綱參數(shù)G₀及判別免于評(píng)定的情況^[6];

（5）確定塑性極限載荷P_L及最高容許工作壓力P_max;

（6）安全性評(píng)定。

2.1 ?計(jì)算G₀和判別免于評(píng)定的情況

罐體表面凹坑缺陷的無(wú)量綱參數(shù)G₀可按下式計(jì)算：

????????????（1）

若G₀≤0.1則認(rèn)為該凹坑缺陷是安全的或可以接受的，可免于評(píng)定;否則應(yīng)進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)公式（1）可以算出所選單凹坑的G₀值，

由上述計(jì)算可知所選凹坑G₀>0.1，按照GB/T 19624-2004中的要求須對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)定。

2.2 ?對(duì)G₀>0.1的凹坑進(jìn)行安全評(píng)定

為了研究這些蝕坑對(duì)罐體的使用壽命的影響，對(duì)于無(wú)凹坑缺陷的圓柱形容器殼體的塑性極限載荷 P_L0的計(jì)算可按下式進(jìn)行^[7]：

其中： —材料流動(dòng)應(yīng)力，取法如下：

非焊縫區(qū)凹坑，;

焊縫區(qū)凹坑，。

其中焊接接頭系數(shù)f可按實(shí)際設(shè)計(jì)條件選取，也可以根據(jù)GB150-2011或者其他標(biāo)準(zhǔn)選取。

對(duì)含有凹坑缺陷圓筒形容器的極限載荷P_L可按下式計(jì)算得到^[8]：

而最高容許工作壓力P_max的計(jì)算為：

由于P<P_max，因此單凹坑時(shí)罐體安全。

按照GB/T19624-2004《在用缺陷壓力容器安全評(píng)定》在進(jìn)行評(píng)定前需要判別兩個(gè)相鄰凹坑之間是否會(huì)產(chǎn)生干涉，若各凹坑之間的距離滿(mǎn)足L₂<L_l+L₃則認(rèn)為兩凹坑軸向發(fā)生相互干涉，此時(shí)將多凹坑視為同一等效凹坑^[9，10]，等效凹坑的軸向尺寸為L_m=L_l+L₂+L₃，周向尺寸為L_r。因此在多凹坑中，當(dāng)相鄰兩凹坑間距為L/X≤3時(shí)，滿(mǎn)足將多凹坑視為同一凹坑的條件，因此按照上述計(jì)算方法同理可求得各間距下的最高容許工作壓力P_max。其他間距的凹坑在進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)因其可視為單凹坑故計(jì)算結(jié)果與單凹坑計(jì)算結(jié)果相同，最終計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，雖然存在這些凹坑缺陷，但罐體的設(shè)計(jì)壓力始終小于最高容許工作壓力，即P<P_max，因此罐體仍處于安全狀態(tài)。

3 ?凹坑有限元分析

3.1 ?凹坑有限元計(jì)算模型

由于所取殼體與整個(gè)殼體相比較小，可以認(rèn)為在幾何尺寸及載荷上具有對(duì)稱(chēng)性^[11]，在用有限元建模時(shí)只需建立殼體的二分之一即可模擬出整個(gè)罐體的情況，設(shè)置好單元類(lèi)型及材料屬性后，按照上述凹坑尺寸建立軸向排列的多凹坑有限元模型，劃分單元并在縱向?qū)ΨQ(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束^[12]，其有限元模型如圖2所示。

3.2 ?軸向排列雙凹坑有限元結(jié)果分析

考慮凹坑在發(fā)酵罐中往往并不是單獨(dú)存在的，同時(shí)凹坑排列也是無(wú)章可循的，為了便于分析將凹坑的分布理想化處理，將其分為軸向排列和環(huán)向排列，其對(duì)發(fā)酵罐的使用壽命等由不同的影響。同時(shí)，凹坑數(shù)量及間距等因素對(duì)發(fā)酵罐的應(yīng)力分布影響也不同，軸向排列的凹坑要比環(huán)向排列的凹坑危害性要大，因此本文將重點(diǎn)研究發(fā)酵罐的軸向排列的凹坑的應(yīng)力分布情況以及對(duì)發(fā)酵罐安全性的影響（圖3）。

從圖3中可以看出，當(dāng)L/X=1即單凹坑時(shí)，其最大應(yīng)力為32.727 5 MPa，所在位置為凹坑的底部，至凹坑邊緣逐漸減少，凹坑周?chē)诎伎拥沫h(huán)向方向出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的局部應(yīng)力減小情況外，其余地方應(yīng)力幾乎相同，沒(méi)有太大的波動(dòng)。

當(dāng)L/X=1即兩凹坑相交時(shí)，凹坑最大應(yīng)力為37.278 9 MPa，位于凹坑底部，隨著相鄰凹坑間距的增加，其最大應(yīng)力呈逐漸減少的趨勢(shì)，至L/X=5時(shí)，其最大應(yīng)力值為29.838 6 MPa，隨著蝕坑間距的變化至L/X≥3時(shí)，相鄰凹坑間的最大應(yīng)力將在各自凹坑的底部，且其值與單凹坑的最大應(yīng)力值相差不大。另外需要注意的是當(dāng)L/X≤2即相鄰兩凹坑相切及相交時(shí)，其在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)由于其中心距的原因可將其視為同一凹坑來(lái)處理，同時(shí)，隨著凹坑間距的增加，凹坑周?chē)膽?yīng)力數(shù)值及影響區(qū)域也逐漸擴(kuò)大，主要是因?yàn)閮砂伎酉嗲屑跋嘟粫r(shí)其截面形狀發(fā)生突變導(dǎo)致其應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度增加，但隨著凹坑間距的增加，即間距在L/X≥3時(shí)，相鄰兩凹坑對(duì)應(yīng)力的影響并不大，基本可以忽略。

3.3 ?軸向排列三凹坑有限元結(jié)果分析

從圖4中可以看出，當(dāng)L/X=0即單凹坑時(shí)，最大應(yīng)力為32.727 5 MPa，其值低于L/X=1、L/X=2時(shí)三凹坑的最大應(yīng)力，說(shuō)明在恒壓作用下，當(dāng)多凹坑距離較近時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力要大于單凹坑的應(yīng)力，這也意味著多凹坑時(shí)要比單凹坑危險(xiǎn)。

當(dāng)L/X≤3時(shí)，相鄰凹坑之間會(huì)發(fā)生干涉^[13]，因此在做研究時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)凹坑。當(dāng)兩凹坑相距較遠(yuǎn)（L/X>3）時(shí)，凹坑的最大應(yīng)力值與單個(gè)凹坑的最大應(yīng)力差異較小，這也符合GB/T19624-2004中的規(guī)定。

3.4 ?應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算

由于凹坑缺陷的存在，在凹坑處勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)作為衡量應(yīng)力集中程度的主要參數(shù)，在實(shí)際分析研究中具有重要意義^[14]。根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)的定義知：

（2）

式中：k_t—應(yīng)力集中系數(shù);

σ_max?—最大正應(yīng)力，MPa;

σ_n?—名義正應(yīng)力，MPa。

對(duì)于受恒壓的發(fā)酵罐體而言，其名義正應(yīng)力為 ，為沒(méi)有缺陷時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大環(huán)向應(yīng)力。從而可計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從表2可得出，當(dāng)凹坑之間的中心距在L/X=1時(shí)其應(yīng)力達(dá)到最大值，之后隨著相鄰凹坑中心距的增加其應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)也隨之降低，當(dāng)中心距達(dá)到一定程度（L/X≥3.0）時(shí)，軸向排列的多凹坑，無(wú)論是雙凹坑還是三凹坑，其最大應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)受相鄰兩凹坑之間的距離影響并不明顯。此外，從圖5中可以看出，單凹坑的最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)與雙凹坑和三凹坑相比最小，即最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)與凹坑數(shù)量成正比。

無(wú)論相鄰凹坑距離多少，三凹坑的應(yīng)力集中系數(shù)始終大于同一距離條件下的應(yīng)力集中系數(shù)^[15]，說(shuō)明凹坑缺陷的數(shù)量對(duì)發(fā)酵罐的應(yīng)力分布及壽命有很大影響。

4 ?結(jié) 論

（1）凹坑缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生峰值應(yīng)力，使發(fā)酵罐的安全運(yùn)行受到威脅。通過(guò)對(duì)含有凹坑缺陷的罐體進(jìn)行安全性評(píng)定可知，雖然罐體存在這些凹坑缺陷，但設(shè)計(jì)壓力始終小于最高容許壓力，即罐體處于安全狀態(tài);但需注意的是罐體若長(zhǎng)期在交變載荷的作用下，容易造成罐體疲勞破壞，應(yīng)引起足夠重視。

（2）軸向排列的凹坑，如果相鄰凹坑的間距達(dá)到某一數(shù)值（L/X≥3.0）時(shí)，對(duì)應(yīng)力分布的影響并不大;同時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)隨著兩凹坑中心距的增加而減小，當(dāng)間距L/X<3時(shí)其變化幅度較大，而L/X≥3后趨于恒定。

（3）最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)與凹坑缺陷的數(shù)量成正比，而與相鄰的凹坑間距成反比，即凹坑數(shù)量越多其最大應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)越大，而隨著相鄰兩凹坑的間距增加，其最大應(yīng)力值和應(yīng)力集中系數(shù)降低。

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