探討如何設計基于整體有限元應力分析的齒嚙式快開壓力容器

張建平 胡祥金 江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院鷹潭檢測分院

齒嚙式快開壓力容器具有快速啟閉、卸料便利等特點（以下簡稱“容器”），適用于化工、食品、紡織等工業領域中直徑較大場合，容器安全性能直接影響產線運行安全。在容器設計方面，需要完成整體安全性驗證，通過建立有限元模型對結構應力展開分析，驗證容器結構安全、可靠。因此應掌握容器應力評估方法，為容器設計提供科學指導。

一、齒嚙式快開壓力容器整體有限元應力分析

從結構組成上來看，容器包含卡箍、筒體、端部法蘭、封頭等多個部分，依靠法蘭齒和封頭齒的嚙合實現結構連接。實際容器整體結構非軸對稱類，但嚙合齒沿軸向對稱分布，受力和變形可看成是廣義軸對稱問題。通過整體建模對各工況下的容器結構應力分布狀況展開分析，通過截取危險截面實現危險路徑定義，確保獲得的應力結果符合實際。相較于單元有限元分析，整體建模分析的內壓加載狀態和對稱約束不變，但在嚙合力作用下無須對封頭設定豎直方向約束。嚙合面間存在的摩擦接觸可以在法向脫離，在切向出現相對滑移。盡管施加內部正壓不會導致法向分離出現，但由于封頭法蘭和筒體法蘭剛性不同，會出現變形量差異，使切向出現相對滑動。將齒間隙接觸面當成是研究對象，由于位于法蘭連接位置不會產生邊緣應力。

通過定義接觸問題，并進行邊界條件加載，可以使容器齒間接觸面發生相對滑動，使上、下法蘭和卡箍、楔塊等分別接觸。為避免整體出現軸向剛體位移，設筒體下端面軸向位移為零。結合容器特點，可以分別施加對稱約束、位移約束、載荷等，完成邊界條件計算。

將齒面接觸看成是無間隙，受負載時因接觸法蘭變形不一致將導致接觸面積變小，出現嵌入和相對滑動。在應力分類方面，利用線處理法對危險截面應力分量進行均勻化、線性化處理，獲得沿應力分布線的薄膜應力、彎曲應力等數值。結合容器失效受到的不同力的大小，將薄膜應力劃分為一次總體薄膜應力Pm和局部應力PL，彎曲應力劃分為一次應力Pb和二次應力Q，另外包含峰值應力F，要求各應力強度達到如表1所示的限制標準[1]。要求各類應力強度達到許用極限要求，實際在分析時需要考慮溫度等因素給材料性能帶來的影響，因此要求應力強度值不超疲勞曲線峰值幅度。

表1 各應力強度限制標準

二、基于整體有限元應力分析的齒嚙式快開壓力容器設計方法

（一）設計參數

在容器設計方面，內直徑為2500mm，工作溫度達225℃，壓力為5MPa，設計壓力為5.5MPa，水試驗壓力達6.9MPa。封頭和筒體采用Q345材質，楔塊為45#鋼，法蘭和卡箍為20MnMoIII材質，各材料性能參數如表2所示。

表2 材料性能參數

（二）應力分析

如圖1所示，通過對施加容器實際工況載荷，能夠確定應力分布情況，應力最大位置位于法蘭齒面和楔塊間。選取危險截面進行應力評定，發現齒面與楔塊接觸位置應力達到466MPa，上法蘭最大達368MPa，下法蘭最大251MPa，上楔塊最大218MPa，下楔塊最大346MPa，卡箍最大423MPa，筒體最大198MPa，封頭最大為184MPa。根據分析結果可知，齒面和楔塊位置成為最可能引發容器失效的部位。

針對高應力區域，選取多個截面進行應力分析，需要將不連續或應力集中界面當成是強度評定依據。通過選取9條危險路徑展開分析，結果如表3所示，說明各部分應力強度合格。對容器疲勞問題展開分析可知，循環加載荷載的情況下，容易出現應力集中問題。按照累計損傷準則進行0～5MPa載荷循環加載，次數達到1000次，并循環開展30次水壓試驗。期間，載荷最低為0MPa，溫度為0℃，最高為5MPa，溫度為200℃[2]。通過反復分析，確認累積系數值為0.385，比1小，因此容器不會出現疲勞失效情況，能夠驗證結構設計方案的有效性。在整體有限元應力分析過程中，可以發現相同工況下楔塊、封頭等位置的應力強度較小，能夠通過適當減小材料厚度節約成本，同時保證結構應力滿足要求，充分展現設計方案的實用性和經濟性。

圖1 工作載荷下容器應力分布圖

表3 危險路徑評定結果

三、結論

建立整體有限元分析模型，通過對不同類型應力進行組合完成容器應力評估，要求做好邊界條件處理，在加載歷程中利用加載增量情況進行模擬分析，通過將接觸單元問題導入中模型中確認容器是否存在應力超限部位。根據分析結果確認容器是否會出現疲勞失效問題，能夠做到合理進行容器結構設計，為容器安全、可靠運行提供保障。