疲勞設備的安全設計及有限元分析

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

疲勞設備的安全設計及有限元分析

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，對工藝氣儲罐載荷分析、建模、應力計算及疲勞分析評定等，重點闡述了有限元分析的整個過程；通過應力產生原因及消除機理的分析，簡要敘述了疲勞設備結構設計上需注意的問題。

載荷分析；疲勞曲線；疲勞分析；安全設計

在壓力容器的設計過程中主要只考慮靜載荷，實際上，壓力容器在交變載荷下運行是常有的，根據20世紀80年代的有關統計，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，對于有交變載荷設備，應進行疲勞分析，以保證承受交變載荷的化工設備在使用壽命周期內不產生疲勞破壞。

工藝氣儲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。本文以該設備為設計對象，按JB 4732-1995（2005年確認版）《鋼制壓力容器-分析設計標準》對設備進行疲勞分析，用ANSYS Workbench進行建模、應力計算，而后進行疲勞強度校核。

1 工藝氣儲罐主要設計數據及載荷

1.1主要設計數據（表1）

工藝氣儲罐公稱直徑為DN1200mm、筒體長度為2 500mm、上封頭為標準橢圓封頭、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 設備操作參數

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Q245R腐蝕裕量1.5循環次數共250 000次

1.2載荷分析

根據本案的實際情況，需要考慮以下3種主要載荷：

1）跟主要設計參數，如壓力、溫度等相關的均勻分布載荷。

2）作用于設備局部區域的載荷，比如N2接管承受的彎矩。

3）設備開、停車次數的影響，操作波動的幅度和周期的影響等。

2 應力分析

本文采用ANSYS Workbench進行三維建模及應力計算。

2.1建模

本案例涉及到開孔補強及疲勞分析，且部分接管有接管載荷，應選擇3D實體模型。為節約計算，將整臺設備分為三部分進行計算，三維建模將其分為三段模型。

2.2模型網格劃分

在Engineering Data里面設置好各個部件材料的屬性置好后，再對三段模型劃分網格，本設備采用Sweep網格劃分。

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自動施加對稱約束）。

2）位移邊界條件：約束筒體端面處所有節點的周向和軸向自由度；在筒體的端面中心都添加Cylindrical Support，并設置軸向為Fixed，切向及徑向為Free。

2.4求解及計算結果

在添加約束完成后，進行求解運算。其計算應力分布云圖如圖1所示。

圖1　工藝氣儲罐應力云圖

2.5有限元精度評估

取上部筒體遠離接管的一處做路徑（PATH）進行線性化處理，計算 結果中一次總體薄膜應力Pm＝3.564MPa.根據JB4732中公式可以得出：S＝53.524MPa，從而Pm/S=53.524/53.564=0.999，故有限元計算結果與公式計算結果相吻合，計算精度滿足工程設計要求。

3 疲勞分析

疲勞強度是在操作工況（Pw＝0～0.8MPa）下進行評定的。首先求出操作溫度下，各個部件中最大的應力幅值（用最高工作壓力0.8MPa工況的應力減去最低工作壓力0MPa工況的應力；應力范圍的一半，即為應力強度幅值），然后按進行修正，得到修正后的應力幅值。用修正后的應力幅值，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，修改結構，重新計算，直到滿足要求為止。

3.1疲勞分析部位的確定

由計算應力云圖可知，最大應力點即為人孔接管與筒體的焊接根部。且整臺設備各點操作狀態相同，故選擇該點進行疲勞分析。

3.2疲勞分析評定

通過圖1可知，整臺設備中最大應力幅Salt＝186.06/2＝93.03MPa。

按JB4732中節C2.2計算

查圖C-1中疲勞曲線得到許用疲勞次數N＝3.15×105次。

設計循環次數n＝2.5×105次。

按JB4732中c2.2計算，累計使用系數U=0.794<1，疲勞評定合格。

4 疲勞設備的安全設計

為提高壓力容器疲勞壽命，可采取如下措施：

1）盡量保持設備結構的連續性，降低應力集中。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、補強圈等非整體連接件

2）冷作硬化處理，產生較高的壓縮殘余應力，從而提高疲勞強度。

3）機械超載，可使壓力容器自行增強。

4）設備熱處理，可有效消除殘余應力。

5 結論

石油化工的快速發展，新工藝的開發，化工設備承受交變載荷的情況日益增多，產生疲勞失事的概率越來越高，化工設備的疲勞分析越來越引工程設計人員的重視和關注。當前，數值模擬技術，尤其是有限元分析（FEA）變得越來越流行，已經成為壓力容器分析設計和疲勞評定的通用手段和工具。疲勞設備的設計將與普通設備設計一樣普及，其設計、制造將更為合理、經濟。

[1]李建國，壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業出版社，2004：172.

TP3

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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。