蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)裂紋分析與處理

肖鋒 沈林 黃曉潔 鞏樂(lè) 高志強(qiáng)

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403021

摘 要 通過(guò)有限元數(shù)值方法對(duì)某廠PTA蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)中間薄壁筒體上出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)干燥機(jī)滾圈的跨距布置不合理，中間薄壁筒節(jié)處彎曲應(yīng)力很大，在干燥機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生了疲勞裂紋，針對(duì)這一現(xiàn)象，提供了幾種處理方案。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，獲得了滾圈在蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)筒體上的最佳布置范圍，并對(duì)干燥機(jī)管支撐板和加強(qiáng)圈的布置提出建議。

關(guān)鍵詞 蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī) 滾圈 跨距 撓度 彎矩 彎曲應(yīng)力 主應(yīng)力 應(yīng)力幅 疲勞

中圖分類號(hào) TQ051.8+92? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0477?07

作者簡(jiǎn)介：肖鋒（1971-），高級(jí)工程師，從事石油化工設(shè)備管理工作。

通訊作者：鞏樂(lè)（1991-），工程師，從事石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作，enjalone@163.com。

引用本文：肖鋒，沈林，黃曉潔，等.蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)裂紋分析與處理[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：477-483.

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)機(jī)身的全部重量通過(guò)兩個(gè)滾圈傳遞到托輪，機(jī)身通過(guò)齒圈帶動(dòng)，在托輪上回轉(zhuǎn)運(yùn)行，因此，此類干燥機(jī)屬于典型的周期疲勞設(shè)備。當(dāng)滾圈在機(jī)身（筒體）上的跨距布置不合理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致筒體某部分的撓度和彎矩非常大，產(chǎn)生相當(dāng)大的彎曲應(yīng)力。對(duì)于這類回轉(zhuǎn)設(shè)備，中間出現(xiàn)裂紋的概率非常小，一般是發(fā)生在滾圈處、厚壁筒節(jié)墊板焊趾處，且貫穿厚壁筒體。文中所分析的干燥機(jī)中部薄壁筒體出現(xiàn)了裂紋，分析其主要原因，可能是滾圈跨距布置太寬，導(dǎo)致中部筒體撓度大，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大，導(dǎo)致了低于疲勞壽命的疲勞裂紋。

筆者針對(duì)蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算，并提出了幾種解決方案。此外，對(duì)此類設(shè)備的滾圈跨距合理性進(jìn)行分析計(jì)算，得出滾圈跨距的最優(yōu)范圍。

1 彎矩計(jì)算

某廠PTA蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)筒體上出現(xiàn)的裂紋位于中間薄壁處，如圖1所示，為干燥機(jī)筒體環(huán)向裂紋，初步判斷是滾圈的跨距過(guò)大，導(dǎo)致中間薄壁筒節(jié)所受彎矩較大，進(jìn)而引起疲勞裂紋。

為了分析研究滾圈跨距分布對(duì)干燥機(jī)機(jī)身的影響，本節(jié)建立兩組模型，一種模型是原設(shè)計(jì)參數(shù)下干燥機(jī)模型，另一種是優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)下的干燥機(jī)模型，分別簡(jiǎn)稱為原設(shè)計(jì)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)這兩種模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的彎矩分布。

原設(shè)計(jì)干燥機(jī)規(guī)格為?4200 mm×32000 mm，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，材料物性參數(shù)[1～3]見表1。

對(duì)于此類長(zhǎng)徑比較大的兩點(diǎn)支撐回轉(zhuǎn)設(shè)備，按兩點(diǎn)支撐簡(jiǎn)支梁模型處理。干燥機(jī)內(nèi)部無(wú)壓力，主要受重力載荷，各零部件和物料重力載荷如下：

筒體自重載荷 105 903 kg

30%物料載荷 132 960 kg

30%凝液載荷 22 944 kg

齒圈處集中力 15 311 kg

進(jìn)料端板處集中力 3 500 kg

汽室處集中力 5 600 kg

換熱管質(zhì)量 62 765 kg

管支撐板質(zhì)量 13 624 kg

以上各項(xiàng)總重量為362 607 kg，換算成重力為3 553 549N。具體處理辦法是：

a. 將物料載荷、凝液載荷、換熱管載荷和管支撐板載荷看作沿筒體軸向均布，等效成均布集度71 140 N/m;

b. 筒體按實(shí)際質(zhì)量加載;

c. 齒圈、進(jìn)料端板和汽室3處的集中力按實(shí)際加載。

對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)模型（圖3），只是滾圈和厚壁筒體相對(duì)位置進(jìn)行了調(diào)整，其余保持原設(shè)計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，兩種模型的彎矩和撓度結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比圖4a、b可以看出：

a. 原設(shè)計(jì)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)模型最大彎矩和撓度相差懸殊，前者為5 308 300 N/m，后者為

2 379 200 N/m，前者是后者的2.2倍，對(duì)同一截面，計(jì)算出的彎曲應(yīng)力亦是2.2倍，相對(duì)于后者，前者承受了巨大的彎曲應(yīng)力，造成了設(shè)備的根本缺陷。

b. 同樣，原設(shè)計(jì)模型撓度比優(yōu)化設(shè)計(jì)的大得多，分別為2.78 mm和0.95 mm，前者是后者的2.92倍。

c. 原設(shè)計(jì)模型彎矩和撓度最大值皆位于筒體中部，最優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的3個(gè)彎矩最大值基本相同，分別位于前后滾圈處和筒體中間部位，撓度最大值位于筒體中部。這種分布對(duì)于干燥機(jī)來(lái)說(shuō)是最有利的，因?yàn)槠浔苊饬俗畲髲澗睾蛽隙榷及l(fā)生在強(qiáng)度比較薄弱的筒體中間部位。

是在優(yōu)化設(shè)計(jì)滾圈跨距時(shí)，筆者計(jì)算了多組模型，計(jì)算結(jié)果表明，滾圈跨距與筒體長(zhǎng)度之比在0.55～0.63范圍內(nèi)時(shí)，在筒體中間和兩滾圈部位的筒體處的彎矩值相等，這是最佳受力狀態(tài)。

2 裂紋處理

對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的裂紋，應(yīng)進(jìn)行處理以防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。具體做法是：

a. 將外表面紙屑等雜物清理干凈，檢查外表面是否還存在其他裂紋，如有條件，最好通過(guò)PT檢查，確定裂紋位置、大小;

b. 在每條裂紋尖端開?18 mm的止裂孔（圖5）;

c. 止裂孔用?16 mm的棒材填塞，然后在外表面密封焊（圖6）;

d. 打磨裂紋，至少 8 mm深，然后進(jìn)行補(bǔ)焊;

e. 所有裂紋經(jīng)裂紋尖端打止裂孔、止裂孔填塞密封焊、裂紋打磨補(bǔ)焊后，對(duì)以上裂紋焊接處理部位打磨至與筒體平齊。

3 筒體加強(qiáng)方案

為了防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，除了上述措施外，還應(yīng)該對(duì)裂紋周邊的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以提高疲勞壽命。首先計(jì)算原設(shè)計(jì)參數(shù)下干燥機(jī)中間筒體應(yīng)力水平，將計(jì)算結(jié)果與裂紋出現(xiàn)位置進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮，給出解決方案。

3.1 原設(shè)計(jì)模型應(yīng)力計(jì)算

干燥機(jī)所受載荷如前文所示，但等效處理方法不同，此處作如下處理：

a. 將物料載荷和凝液載荷等效增加在筒體密度之上，結(jié)果為19 530 kg/m3;

b. 將換熱管載荷等效增加在管支撐板密度之上，結(jié)果為35 332 kg/m3;

建立完成的有限元模型如圖7所示，其中，薄壁筒節(jié)、加強(qiáng)圈、汽室、端板和管支撐板采用Shell單元，滾圈和厚壁筒體采用Solid單元，Shell和Shell之間、Shell和Solid之間采用Bond接觸，MPC算法[4]。對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中間薄壁筒節(jié)應(yīng)力最大值發(fā)生在離前滾圈中線13.2 m，比廠家給的裂紋位置12.4 m靠后0.8 m，這種情況是由于此處將物料的分布按均布載荷（實(shí)際情況是前輕后重）處理及筒體實(shí)際環(huán)焊縫的位置分布造成了實(shí)際裂紋位置和預(yù)期裂紋發(fā)生位置（應(yīng)力最大點(diǎn)）的偏差。

3.2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

基于以上計(jì)算，結(jié)合裂紋實(shí)際位置，為了防止裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展、降低裂紋附近筒體應(yīng)力水平和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，需要提高筒體抗彎截面系數(shù)，考慮到可增加環(huán)筋、環(huán)板及縱筋等，現(xiàn)提出如下幾種方案（需要說(shuō)明的是，這些方案僅對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)缺陷的有限補(bǔ)償，試圖最大可能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，但是無(wú)法從根本上解決問(wèn)題）。

方案a：以裂紋右側(cè)第1個(gè)加強(qiáng)圈為中心，兩側(cè)各增加1個(gè)加強(qiáng)圈，3個(gè)加強(qiáng)圈之間沿筒體環(huán)向均布12個(gè)軸向筋板，如圖9所示。

方案b：將方案a中的軸向筋板去掉。

方案c：將方案b中右側(cè)加強(qiáng)圈去掉。

方案d：在裂紋位置增加一個(gè)寬環(huán)板，如圖10所示。

方案e：在方案d基礎(chǔ)上，寬環(huán)板左側(cè)增加一個(gè)加強(qiáng)圈，如圖11所示。

方案f：在裂紋位置增加一個(gè)寬環(huán)板，寬環(huán)板上設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)圈，如圖12所示。

對(duì)各組模型進(jìn)行計(jì)算，方案a計(jì)算所得中間薄壁筒節(jié)上應(yīng)力云圖如圖13所示，其余云圖為節(jié)約篇幅省略。各方案中間薄壁筒體處最大應(yīng)力強(qiáng)度值和應(yīng)力幅[5]列于表2。

分析表2，得出如下結(jié)論：

a. 所有增加的筋板，不論是環(huán)向筋板還是縱向筋板，都會(huì)使得應(yīng)力重新分布，最大應(yīng)力位置也相應(yīng)轉(zhuǎn)移，這對(duì)于減小裂紋處應(yīng)力值是有好處的。因此，除了方案a，其余方案皆可阻止現(xiàn)有裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。由于在新的應(yīng)力最大點(diǎn)產(chǎn)生裂紋也需要一定的時(shí)間，故除方案a外，其余方案皆可增加疲勞壽命。

b. 沿著軸線在筒體表面布置縱筋板，會(huì)產(chǎn)生高局部應(yīng)力，起不到增加疲勞壽命作用。

c. 加強(qiáng)圈有利于減小應(yīng)力值，寬環(huán)板有利于減小撓度值。

d. 寬環(huán)板與加強(qiáng)圈的組合可得到最小應(yīng)力和最小撓度值。

e. 各方案對(duì)降低應(yīng)力幅作用有限。

綜上，方案d和方案e為優(yōu)選措施。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

為了進(jìn)一步體現(xiàn)圖3所示優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，撓度、應(yīng)力強(qiáng)度和軸向彎曲應(yīng)力云圖分別如圖14中a、b、c所示。由圖可知，不論是干燥機(jī)的撓度還是應(yīng)力水平，皆低于原設(shè)計(jì)模型，證明合理的滾圈跨距可明顯地改善干燥機(jī)的應(yīng)力水平和撓度。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)運(yùn)行中的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)所出現(xiàn)的筒體環(huán)向裂紋問(wèn)題，本文通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，得出其滾圈的布置極其不合理，造成中間部位筒體的撓度和彎矩非常大，導(dǎo)致在此處產(chǎn)生了高周疲勞裂紋。針對(duì)此問(wèn)題，提出了幾種處理措施，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，確定出了最佳修補(bǔ)處理措施。

合理的滾圈跨距布置是蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的根基，設(shè)計(jì)人員需要有足夠的重視。本文利用數(shù)值方法分析計(jì)算了蒸汽回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)滾圈跨距布置的不同對(duì)干燥機(jī)的影響，提出了滾圈跨距與筒體長(zhǎng)度間比值的合理設(shè)計(jì)范圍為0.55～0.63的優(yōu)化方案。

此結(jié)論可為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供借鑒，適用于所有兩點(diǎn)支撐回轉(zhuǎn)設(shè)備，如回轉(zhuǎn)窯等。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì).壓力容器：GB/T 150.2—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 發(fā)改委.大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件：JB/T 6396—2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] The American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II Materials[S].New York：American Society of Mechanical Engineers，2019.

[4] 博弈創(chuàng)作室.ANSYS 9.0 經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[5] The American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 2，Alternative Rules，Rules for Construction of Pressure Vessels[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2019.

（收稿日期：2023-06-20，修回日期：2024-05-20）