失效燙平機烘筒封頭強度分析

劉小平，王華明，余江涌，孫一平，陳顯彬

（1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院， 湖南 長沙 410117）

（2.深圳中集天達空港設備有限公司， 廣東 深圳 518103）

燙平機是洗滌機械的一種，屬于洗衣房熨整設備。其主要部件一般是單個、兩個輥，輥通過手搖或電力轉(zhuǎn)動，達到一定溫度后，當潮濕的衣物經(jīng)過兩個輥之間，可以除去大量的水分，且達到燙平的效果。用于床單、桌布、布料等的軋平過程。

本文通過有限元對一起失效燙平機不銹鋼烘筒強度進行應力分析，模擬烘筒封頭在內(nèi)壓0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三種工況下的應力分布情況，并通過壓力容器失效準則對失效燙平機烘筒封頭進行強度分析。

1 技術參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品銘牌，使用單位提供的質(zhì)量證明書和現(xiàn)場測量，燙平機烘筒技術參數(shù)如下：

表1 主要技術參數(shù)

圖1 不銹鋼烘筒結構示意圖

2 現(xiàn)場情況

在現(xiàn)場對燙平機、安全閥、壓力表、連接管線、鍋爐等相關設備儀表進行了勘查。燙平機烘筒封頭爆裂，生產(chǎn)場地設施受損，見圖2、圖3。烘筒通過管道直接與鍋爐相連，中間未設置減壓閥，安全閥、壓力表未見校驗鉛封。

圖2 爆裂不銹鋼烘筒圖

圖3 事故現(xiàn)場

3 宏觀檢驗

通過對失效烘筒進行宏觀檢驗，烘筒筒體未見異常，烘筒的爆裂封頭內(nèi)表面存在大量腐蝕坑，外側邊緣均勻減薄，見圖4、圖5，最薄處僅0.7mm。未爆裂封頭也存在明顯的腐蝕現(xiàn)象。封頭形狀為S型，可以視為半球形封頭、錐形封頭、平蓋封頭的組合。

圖4 烘筒爆裂封頭

圖5 烘筒爆裂封頭最薄位置

4 壁厚測定

對烘筒筒體及爆裂封頭（半球形部分、錐形部分、平蓋部分）進行測厚，測量值如表2：

表2 筒體厚度測量值（mm）

表3 爆裂封頭厚度測量值（mm）（半球形部分、錐形部分、平蓋部分典型值）

5 有限元數(shù)值分析

計算參數(shù)按照表1選取，分別對設計封頭和爆裂封頭的模型進行預定工況下的結構分析，其中爆裂封頭半球形部分厚度值取1.5mm，由于不能確定烘筒爆裂時的工作壓力，故在有限元應力分析時對事故烘筒取0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa三種工況進行分析。

5.1 邊界條件

該烘筒的力學模型類似于一個兩端固定的簡支梁。因此其邊界條件可作如下簡化：

(1)力邊界條件：封頭內(nèi)表面承受均勻內(nèi)壓；(2)約束邊界條件：軸端部施加固定約束，軸承對稱面施加對稱約束，筒壁施加X方向約束。

圖6 烘筒筒體測厚位置示意圖

圖7 爆裂封頭測厚位置示意圖

圖8 爆裂封頭厚度與設計封頭比較示意圖

圖9 設計封頭幾何模型

圖10 爆裂封頭幾何模型

圖11 設計封頭有限元模型

圖12 爆裂封頭有限元模型

5.2 有限元結果分析

(1)對設計封頭結構及筒壁施加0.6MPa內(nèi)壓，其應力云圖分布如圖13、圖14：

圖13 設計封頭整體結構應力云圖（0.6MPa內(nèi)壓）

圖14 設計封頭A-A截面應力線性化圖（0.6MPa內(nèi)壓）

對封頭的應力最大位置取A-A截面作為應力線性化路徑，得其薄膜應力PL=24.02MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力PL+Pb+Q=298MPa。

(2)對爆裂封頭結構及筒壁施加0.6MPa、0.4MPa、0.2MPa內(nèi)壓進行應力分析。

(a)施加0.6MPa內(nèi)壓時，其應力云圖分布如圖15、圖16：

圖15 爆裂封頭整體結構應力云圖（0.6MPa內(nèi)壓）

圖16 爆裂封頭A-A截面應力線性化圖（0.6MPa內(nèi)壓）

對封頭的應力最大位置取A-A截面作為應力線性化路徑，得其薄膜應力PL=171MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力PL+Pb+Q=10485MPa。

(b)施加0.4MPa內(nèi)壓時，其應力云圖分布如圖17、圖18：

圖17 爆裂封頭整體結構應力云圖（0.4MPa內(nèi)壓）

圖18 爆裂封頭A-A截面應力線性化圖（0.4MPa內(nèi)壓）

分別對其A-A截面施加0.4MPa內(nèi)壓時，得其薄膜應力PL=114.2MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力PL+Pb+Q=6989MPa。

(c)施加0.2MPa內(nèi)壓時，其應力云圖分布如圖19、圖20：

圖19 爆裂封頭整體結構應力云圖（0.2MPa內(nèi)壓）

圖20 爆裂封頭A-A截面應力線性化圖（0.2MPa內(nèi)壓）

對其A-A截面進行應力線性化，得其薄膜應力PL=57.1MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力PL+Pb+Q=3495MPa。

5.2 強度校核

根據(jù)壓力容器失效準則：PL≤1.5 S m 且PL+Pb+Q≤3.0Sm。查閱材料手冊，設計溫度下Sm=137.5MPa，結合上述有限元應力分析，對設計封頭與爆裂封頭最大應力位置進行強度校核。

(1)設計封頭強度校核見表3。

表3 設計封頭最大應力位置強度校核（單位：MPa）

(2)爆裂封頭強度校核見表4。

表4 爆裂封頭最大應力位置強度校核（單位：MPa）

6 結論

通過現(xiàn)場勘查、厚度測量初步確定烘筒爆裂主要原因是封頭強度不夠，由于無法確定烘筒爆裂時的工作壓力，故取內(nèi)壓0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa三種工況進行應力分析及強度校核，結果表明爆裂封頭由于球形部分厚度太薄均不滿足三種工況下的強度要求。

◆參考文獻

[1] 沈鋆，劉應華編著. 壓力容器分析設計方法與工程應用[M].北京：清華大學出版社，2016.

[2] 朱保國. 壓力容器設計知識（第二版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[3] 楊君，寧江，童啟邦，等. 燙平機不銹鋼烘筒爆炸分析與建議[J].中國特種設備安全，2014，(12)：64-68.

[4] 黃冬梅，王婕. 燙平機蒸汽泄漏故障分析與技術改造[J].機電信息，2009，(36)：107-108.

[5] 章春亮. 鑄鐵烘缸應力分析理論與強度設計方法的研究[D].杭州：浙江大學，2002.