基于有限元方法分析不同嚙合度下快開門式壓力容器的力學性能

楊 薇，韓樹新，劉延雷,何承代，王 飛

（1.杭州杭氧鋼結構設備安裝有限公司，浙江 杭州 311305；2.杭州市特種設備檢測院，浙江 杭州 310003）

0 引 言

快開門式壓力容器是指進出容器通道的端蓋或者封頭和主體間帶有互相嵌套的快速密封鎖緊裝置的容器。由于快開門式壓力容器操作過程中加壓和泄壓時間較短，其作為關鍵性生產設備被廣泛應用于化工、輕工、紡織、建材和醫藥衛生等行業。據統計，快開門式壓力容器爆炸事故約占國內壓力容器事故的四分之一左右，因此快開門式壓力容器的安全運行關系到人民的生命與財產安全，也受到了政府及各級主管部門的高度重視[1-4]。

2009年8月，國家質檢總局正式頒布了《固定式壓力容器安全技術監察規程》，規定快開門式壓力容器當具有以下要求的安全聯鎖功能：1）當快開門達到預定關閉部位，方能升壓運行；2）當壓力容器的內部壓力完全釋放，方能打開快開門[5]。雖然國家頒布了相關的規定，但快開門式壓力容器的爆炸事故仍時有發生。據統計表明，未完全嚙合升壓和帶余壓開門是爆炸事故的主要原因[6]。

圖1 齒嚙式容器結構示意圖

對此，針對一臺齒嚙式快開門式壓力容器，如圖1所示。文中基于有限元方法分析了不同嚙合度下的力學性能，考察嚙合度對容器承載能力的影響。建立有限元模型后，首先進行齒嚙法蘭整體有限元應力分析，確定最大應力強度的部位；然后計算20%、15%、10%、5%、3%嚙合狀態下可承受的最大載荷，且確定失效部位；最后，在4.0MPa內壓載荷作用下，分別計算100%、90%、80%和70%嚙合狀態下的疲勞壽命。

1 計算模型

該容器的門蓋嚙合部分具體尺寸，如圖2所示。由于齒分布的不連續性和沿周向的對稱性，齒嚙式快開容器不是嚴格的軸對稱結構，其受力和變形可歸結為廣義軸對稱問題。構造有限元整體模型時，取1/6建立模型，如網格化后模型，如圖3所示。

圖2 快開門式壓力容器端蓋嚙合部分幾何尺寸

在模型內表面作用壓力載荷4 MPa，對稱面上施加對稱約束，筒體下端面加軸向位移約束。加載后模型，如圖4所示；求解后應力云圖顯示，如圖5、6所示。從應力云圖的結果顯示，最大的應力強度位于端蓋齒根部位，因此只需取門蓋進行力學性能研究即可。

根據幾何對稱性，取1/6建立端蓋有限元模型。采用20節點三維實體單元Solid 186。網格劃分中，對齒與上法蘭連接處的倒角，上法蘭與封頭連接處的倒角進行四面體自由網格劃分；對封頭及上法蘭運用六面體體掃略網絡劃分。網絡劃分后模型，如圖7所示。

圖3 網格劃分模型

圖4 載荷和邊界約束條件

圖5 結構應力強度分布

圖6 嚙合齒局部應力強度分布

圖7 端蓋網格劃分模型

在模型的兩個縱向截面施加對稱邊界約束；在齒面上施加Y向的位移約束（根據分析要求，分別對齒面的100%，20%，15%，10%，5%，3%施加約束）；在封頭，上法蘭內表面施加內壓載荷，邊界條件，如圖8所示。

圖8 載荷和邊界約束條件（10 0%嚙合情況）

2 計算結果與討論

2.1 應力計算結果

通過Ansys有限元軟件求解，可得載荷為0.6 MPa（3%嚙合時的極限載荷）時，分別在100%，20%，15%，10%，5%，3%嚙合狀態下的應力強度分布云圖，如圖9～14所示。可見，在100%，20%，15%，10%，5%，3%嚙合狀態下，最大應力強度均位于嚙合一側齒根處，隨著嚙合比例降低，最大應力強度值呈逐漸增大趨勢。

圖9 100%嚙合時結構應力云圖

圖10 20%嚙合時結構應力云圖

圖11 15%嚙合時結構應力云圖

圖12 10%嚙合時結構應力云圖

圖13 5%嚙合時結構應力云圖

圖14 3%嚙合時結構應力云圖

2.2 極限載荷

極限載荷計算采用美國ASME規范中的“二倍彈性斜率”法，即設置載荷步，逐步增加施加于模型內表面的壓力載荷，選取最大應變強度的節點，提取不同載荷步下的應變，可以得到最大應變節點的載荷-應變曲線圖，100%嚙合比例下的載荷-應變曲線圖，如圖15所示。

圖15 100%嚙合載荷應變曲線

從圖15可以看出，100%嚙合狀態下，極限載荷5.5 MPa，失效部位為嚙合處齒根。依此改變嚙合度可得：20%嚙合狀態下，極限載荷2.2 MPa，失效部位為嚙合處齒根；15%嚙合狀態下，極限載荷1.9 MPa，失效部位為嚙合處齒根；10%嚙合狀態下，極限載荷1.22 MPa，失效部位為嚙合處齒根；5%嚙合狀態下，極限載荷0.72 MPa，失效部位為嚙合處齒根；3%嚙合狀態下，極限載荷0.6 MPa，失效部位為嚙合處齒根。從趨勢上可以看到，隨著齒面嚙合比例降低，結構可承受的極限載荷呈下降趨勢，且下降速度逐漸加大。

2.3 疲勞壽命

表1 4.0M Pa內壓作用下不同嚙合狀態的疲勞壽命

為考察在正常或接近正常嚙合狀態下容器的疲勞壽命。依據設計要求，內壓載荷取4.0 MPa；在齒面上施加Y向的位移約束（分別對齒面的100%，90%，80%，70%施加約束）。得到在不同嚙合狀態下的應力。根據計算結果，得到快開門容器（KL273X300）在不同嚙合狀態下的疲勞壽命，如表1所示。可以看出，在4.0 MPa內壓作用下，嚙合比例在100%～70%范圍變化時，其疲勞壽命呈現明顯降低趨勢。

[1]韓樹新,盛水平,劉延雷，等.快開門式壓力容器余壓開門爆炸危害研究[J].壓力容器,2010,27(2）:50-54.

[2]何承代.探索安全聯鎖裝置快開門式壓力容器事故原因與預防對策[J].機械管理開發,2012（2）:114-115.

[3]盛水平，劉延雷，何承代，等.典型快開門式壓力容器爆炸失效原因分析[J].化工設備與管道，2010,47(5):15-18.

[4]何承代.一起快開門式壓力容器爆炸失效事故分析[J].機械管理開發,2012（3）:9-10.

[5]國家質量監督檢驗檢疫總局.固定式壓力容器安全技術監察規程[M].北京:新華出版社,2009.

[6]HAN Shuxin,LIU Yanlei,LI Weizhong etal.Experimental and numerical research on explosion of quick actuating pres?sure vessels when opening with residual pressure[J].2012 ASME Pressure Vessels and Piping Conference,2012（3）：15-19.