容器特殊法蘭的計算

杜四宏，曲曉宇

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

關建詞：快開法蘭；特殊；分析

容器快開法蘭是一種特殊的法蘭，該法蘭有均布的齒，將上蓋法蘭旋轉從而與筒體法蘭嚙合，快開特殊法蘭可以迅速啟閉并且有較強的承壓能力，這種法蘭經常用在開、關蓋頻繁的容器中。這種情形如硫化罐、蒸壓釜、殺菌鍋、蒸汽定型鍋等[1]。低、中壓場合主要用帶凸形封頭的快開特殊法蘭，目前還沒有這類特殊法蘭的規范可供選用[2]。

在運行壓力下，快開特殊法蘭的上齒面與下齒面會相互擠壓進而相對滑動，上齒面與下齒面的接觸行為隨著運行過程而變化，上齒面與下齒面擠壓接觸的應力很難估計。因此，將上齒面與下齒面的接觸行為考慮進來符合實際情況。ANSYS有功能強大的接觸計算與分析功能，可以進行接觸面與接觸面的分析、接觸點與接觸面的計算以及接觸點與接觸點的分析[3]。

筆者通過CONTACT單元對快開特殊法蘭進行計算，對這種特殊法蘭的危險面進行了應力評定以及FATIGUE計算。最終表明，按這種計算方法能滿足相關要求，并且能降低設備的制造成本。

1 快開特殊法蘭模型

某蒸壓釜快開特殊法蘭由封頭（球冠形）、上釜蓋快開特殊法蘭、O型密封圈、釜體、下釜體快開特殊法蘭等組成。上釜蓋快開特殊法蘭有40個嚙合齒，它們是圓周均勻分布的，下釜體快開特殊法蘭也有40個齒，這40個齒也是沿圓周方向均勻分布的，蒸壓釜上面的齒與下面的齒是相互配合的。上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭相互嚙合的情形如圖1所示。

1.1 設計參數

蒸壓釜筒體和球冠形封頭使用的是20R鋼；上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭使用的為16MnII鍛件。該蒸壓釜的設計壓力為1.15MPa，設計溫度為150℃，蒸壓釜內的介質為水蒸汽，該蒸壓釜內直徑為2000mm；蒸壓釜的設計壽命為105次。該釜總體設計是常規設計，按GB150《鋼制壓力容器》進行。

根據GB150，常溫下20R鋼板的許用應力為133MPa，設計溫度下的許用應力為132MPa；常溫下16MnII鍛件的許用應力為150MPa，設計溫度下的許用應力為147MPa。按照JB4732中的曲線，當疲勞次數為為105時，材料的許用應力副為138MPa。

圖1 蒸壓釜上蓋法蘭與下體法蘭相互嚙合情形

1.2 上釜蓋快開特殊法蘭與下法蘭接觸模型

此蒸壓釜的運行周期主要由三個階段組成：第一個階段是加壓，第二個階段是保壓，第三個階段是卸壓。蒸壓釜在第二個階段壓力基本穩定，第一個階段與第三個階段速度比較慢，因此不用將加載速率考慮進來。該模型為廣義軸對稱問題：因為蒸壓釜上蓋齒與下體齒是均勻間斷分布的，并且上、下齒各為40個，整好為偶數，與廣義軸對稱問題相吻合。筆者取蒸壓釜快開特殊法蘭的其中一個齒作為對象，蒸壓釜上蓋法蘭與下體法蘭相互嚙合的模型如圖2所示。根據Saint Venant’s Principle，該蒸壓釜釜體的長度L應該大于2.5倍的下面快開特殊法蘭相接的蒸壓釜筒體的平均半徑與該蒸壓釜筒體的壁厚的乘積再開平方根，即：2.5。

圖2 蒸壓釜上蓋法蘭與下體法蘭相互嚙合有限元模型

計算過程中假設剛開始上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭是緊密協調接觸，上接觸面與下接觸面之間是沒有間隙或者面與面之間是沒有嵌入的，因此它們之間是沒有力與力相互作用的。在第一階段壓力增大時，蒸壓釜上法蘭齒面與釜體下法蘭齒面會出現有相互嵌入以及相對滑動的現象，這屬于典型的SURFACE TO SURFACE問題。在ANSYS軟件中選用Surface to Surface單元TARGE170與CONTA174來分析計算。ANSYS用TARGE170作為目標面，用CONTA174作為接觸面，這2個面通過共有的Real Contant組來識別。對于柔性體的面與柔性體的面的接觸，通過使相互接觸點的數目達到最大值便可以獲得最好的精度，因此，該分析對象的目標面為上釜蓋快開特殊法蘭接觸面，接觸面為下釜體快開特殊法蘭接觸面。

對于以上計算，還需要接觸剛度值與穿透容差值2個重要特征。接觸剛度能較大程度的影響精度和收斂行為，通常接觸剛度值越大，計算的精度就越高，但是這樣造成的后果就是收斂會變得更加困難。對于Surface to Surface單元，接觸剛度用FKN表示。另外一個影響收斂和精度的就是穿透容差，接觸剛度對收斂和精度的影響比穿透容差大，但是當穿透容差嚴格時，模型的計算精度同樣可以得到改善，但收斂變得更加困難，穿透容差用FTOLN表示。

本文分析過程屬于狀態改變非線性，接觸狀態決定著系統的剛度，接觸面的剛度會隨著接觸狀態而改變，當剛度突變比較大時，通常導致的嚴重的后果就是收斂變得困難。增廣拉格朗日法是罰函數法與拉格朗日乘子法結合起來使用來強制接觸協調，筆者即采用上述方法，首先用懲罰剛度確定接觸協調。當達到平衡時，再用FTOLN TOLERANCE檢查。同時，在計算上釜蓋快開特殊法蘭接觸面與下釜體快開特殊法蘭接觸面之間的接觸時，時間步長（time-step）應取小一點，因為如果Time-Step不是太小，就會破壞面與面之間形成的接觸力光滑傳遞，進而迭代也不容易被收斂。

假設上釜蓋快開特殊法蘭接觸面與下釜體快開特殊法蘭接觸面滿足庫侖定律。筆者采用了修正的庫侖模型，最大摩擦應力TAUMAX約等于δs/（δs為材料的屈服強度[2]）。

1.3 蒸壓釜所受荷載及其邊界條件

蒸壓釜球冠形封頭、快開特殊上法蘭內表面及其下端面、蒸壓釜下面筒體受均布內壓作用。快開法蘭上、下齒間隙的中截面與球冠形封頭頂端設定為SYMMETRE約束符合廣義軸對稱要求，蒸壓釜筒體下端面設定為軸向方向約束，進而可以防止容器整體的軸向剛體位移，蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭整體模型見圖3。

圖3 蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭整體模型

2 結果及評定

蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭整體模型的應力云圖如圖4所示。上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭整體模型受力變形前的情形用虛線表示，受力變形后的情形用實線表示。從中可以看出：蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭的齒跟區域是危險高應力區[4]。

在蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭的危險截面上確定評定線，如圖5中1-1表示上釜蓋快開特殊法蘭的應力評定線，2-2表示下釜體快開特殊法蘭的應力評定線。這2處應力評定線的強度云圖如圖6所示。

圖4 蒸壓釜快開特殊法蘭（整體模型）的應力云圖

根據我國的JB4732標準，該蒸壓釜各應力強度的限制條件為：蒸壓釜Pm≤1.0Smt；

圖5 蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭應力處理線

蒸壓釜 PL≤1.5Smt；蒸壓釜 Pm+Pb≤1.5Smt；蒸壓釜Pm+Q≤3Smt；蒸壓釜Pm+Pb+Q+F≤2Sa式中，Smt表示材料的設計應力強度，等于147 MPa；Sa表示許用應力幅，等于138MPa。

按照圖5選取的1-1、2-2應力評定線，評定結果見表1。

圖6 蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭1-1與下釜體快開特殊法蘭2-2處的應力云圖

表1 蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭1-1與下釜體快開特殊法蘭2-2強度評定

由前述及表1可知：

蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭1-1處：

一次總體薄膜應力強度為100.8 MPa小于許用應力強度147 MPa；

一次薄膜應力+一次彎曲應力強度為171.8MPa小于許用應力強度220.5 MPa；峰值應力強度為257.2 MPa小于許用應力強度276 MPa。

蒸壓釜下釜體快開特殊法蘭2-2處：

一次總體薄膜應力強度為96.5 MPa小于許用應力強度147 MPa；

一次薄膜應力+一次彎曲應力強度為131.5MPa小于許用應力強度220.5 MPa；

峰值應力強度為181.2 MPa小于許用應力強度276 MPa；

3 結論

經以上分析表明：該蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭均能滿足強度要求。為避免危險，蒸壓釜上釜蓋快開特殊法蘭與下釜體快開特殊法蘭齒跟部位應過渡成圓弧形狀或其他優化的曲線形狀。