旋風分離器頂部出口加筋平蓋應力分析與強度評定

欒德玉，李龍斌，王松松，王風磊，郭祥忠，李 沂

(1.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)(2.青島暢隆電力設備有限公司，山東 青島 266700)

旋風分離器是一種氣固體系或液固體系的分離設備，廣泛應用于制藥和石油化工等行業。平蓋是旋風分離器常用的封頭形式，在內壓及外載的作用下，接管連接處易出現應力集中現象，導致工業事故的發生。因此，對旋風分離器頂部的平蓋結構進行應力分析與強度評定，是旋風分離器安全運行的重要保障。

目前，從平蓋的受力分析研究成果來看[1-5]，研究主要集中在平蓋開孔的補強計算方面，對旋風分離器平蓋整體受力的研究比較少。帥勃列[6]對筋板結構為一字形、工字形、井字形和輻射形的平蓋受力進行了比較分析，結果表明，具有輻射形筋板的平蓋結構受力最好，所需平蓋厚度最薄；鐘煥杰[7]用拓撲優化的方法，將平蓋的筋板布局轉化為拓撲優化結果中的材料痕跡分布問題，并依據材料痕跡分布情況設置加強筋的位置；程新宇等[8]運用ANSYS Workbench對壓力容器接管處的應力分布進行了探究。本文應用有限元軟件，對平蓋整體結構的應力分布進行研究，在筋板面積和厚度相同的情況下，對比分析無筋板以及設置等面積的矩形筋板和三角形筋板時的平蓋受力特征和變形情況，根據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》對平蓋進行強度評定，以期為平蓋優化設計提供理論參考。

1 模型結構尺寸及技術參數

1.1 結構尺寸

某工程中旋風分離器的筒體長度L=3 000 mm，筒體內徑D1=1 950 mm，筒體壁厚δ1=8 mm，平蓋位于旋風分離器頂部，其直徑D=1 982 mm，厚度δ2=20 mm，平蓋上的接管規格為φ820 mm×10 mm，接管高度H=250 mm。10塊筋板均布，三角形筋板長度L1=581 mm，筋板高度為h，端部高度h1=3 mm，筋板厚度δ3=16 mm；矩形筋板面積與三角形筋板相同，且厚度一致，高度為h2，長度L2=L1，如圖1所示。

圖1 旋風分離器及加筋平蓋示意圖

1.2 技術參數

旋風分離器平蓋的設計條件和相關材料特性見表1。筒體/接管/筋板材質為Q345R。

表1 技術參數

2 數值計算方法

2.1 網格劃分

分別建立無筋板平蓋、矩形筋板平蓋和三角形筋板平蓋模型，加筋平蓋除筋板形式不同外，其他參數均與圖1示例相同。為簡化計算，不考慮筋板連接處焊縫的影響。

網格劃分時采用Workbench中的十節點四面體單元對模型進行網格劃分。由于網格數量直接影響計算量的大小，因此要在保證精度的前提下盡量減少網格的數量，在結構的不同部位采用不同密度的網格。劃分時，在應力集中的接管與筒體相貫的區域進行網格細化，采用較密集的網格，由相貫線往外網格密度逐漸降低，以保證相貫區的計算精度。

2.2 邊界條件

模型受到的載荷有外壓、內壓、重力、支撐力及遠程力，遠程力大小為12 276 N，由于重力和支撐力對計算結果的影響較小，可以忽略。在平蓋和接管的內表面施加設計壓力Pd=0.05 MPa，在接管端面施加等效壓力PY=0.988 MPa(可由式(1)求得)，在平蓋側面施加固定約束。

(1)

式中：d0為接管外徑，m；δ為接管厚度，m。

3 結果及討論

3.1 應力分布及變形情況

無筋板的旋風分離器平蓋，在內壓和外載的作用下的應力分布和變形如圖2所示。由圖可以看出，接管區域應力集中現象較明顯，是高應力區，遠離接管區應力分布趨于均勻；最大等效應力出現在接管與平蓋相連處，達到了560.17 MPa；開孔處的變形量較大，沿徑向逐漸降低，最大變形量出現在接管處，為9.21 mm。綜合這些現象可知，無筋板的平蓋可能出現由強度不足引發的失效。

圖2 無筋板平蓋應力分布及變形

矩形筋板高度h2分別為100 mm、110 mm、120 mm時，平蓋在內壓及外載作用下的最大等效應力如圖3所示，總變形如圖4所示。在筋板長度和面積相同的前提下，三角形筋板對應的高度h分別為197 mm、217 mm、237 mm時，平蓋的最大等效應力如圖5所示，總變形量如圖6所示。可以看出，加筋板后，平蓋應力強度明顯降低，消除了接管處的高應力區，應力分布也趨于均勻，表明加筋板改善了平蓋的整體受力情況，最大應力點均出現在筋板與接管連接的上端部，變形量出現在受力比較集中的接管上端，最大變形量明顯降低。

圖3 矩形筋板平蓋應力分布

圖4 矩形筋板平蓋變形量分布

圖5 三角形筋板平蓋應力分布

同矩形筋板相比，在面積和厚度相同的前提下，各個對應高度的三角形筋板等效應力和變形量均有明顯降低，等效應力最大降低27%，變形量最大降低35%，表明三角形筋板結構在應力分布和變形量上均優于矩形筋板。

3.2 應力評定

由JB 4732—1995中的應力分類原則可知，對不同類型的應力強度，需要用不同的許用極限來判定。在內壓和外載的作用下，最大應力點出現在接管與筋板的連接處。首先運用線性處理法對應力進行當量化線性處理，然后進行應力分類和評定。在平蓋最大應力點處，選取垂直貫穿接管壁厚的方向作為應力線性化處理路徑，將各應力分量沿這條處理線進行應力分析與評定。

在筋板與接管連接處，內壓產生的應力為一次局部薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb，結構不連續產生的彎曲應力為二次應力Q。對應力進行線性化處理，能獲得薄膜應力和彎曲應力。一次應力的許用值主要用于表征韌性斷裂和塑性失穩，由安定性確定的二次應力許用值，主要用于表征塑性疲勞和過度塑性變形。線性化處理后的應力分布曲線如圖7所示。

圖7 應力線性化分布曲線

由于不同應力對壓力容器失效的危害程度不同，因此不能采用相同的安全系數。應力強度的安全判據如下[9]：

PL<1.5KSm

(2)

PL+Pb+Q<3Sm

(3)

式中：K為載荷組合系數,取1；Sm為設計溫度下材料的應力強度，MPa，取[σ]的值。

因此應力評定準則為：

PL<1.5K[σ]=1.5×1×125=

187.5(MPa)

PL+Pb+Q<3Sm=3×125=375(MPa)

表3列出了應力線性化后應力評定結果。

表3 應力評定結果

由圖7可知，筋板厚度與面積相同時，三角形筋板的薄膜應力、一次加二次應力相對于矩形筋板均大幅度減小，三角形筋板的受力狀況更好，相同工況下安全性強于矩形筋板。

4 結束語

本文應用ANSYS Workbench軟件，對旋風分離器平蓋的受力情況進行數值計算，通過對一次應力與二次應力的評定，證明三角形筋板平蓋的受力狀況更好，結構的安全性更高，為工程中內壓容器的優化設計提供了參考。