齒嚙式蒸壓釜齒側裂紋修復后剩余強度的有限元分析

王兵，叢湘純，張穎，劉延雷，李洪標

故障診斷與維修

齒嚙式蒸壓釜齒側裂紋修復后剩余強度的有限元分析

王兵1，叢湘純2，張穎2，劉延雷1，李洪標3

（1.杭州市特種設備檢測院，浙江杭州310003；2.東北石油大學，黑龍江大慶163318；3.大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163714）

齒嚙式蒸壓釜在使用過程中，其嚙合齒側易出現裂紋等缺陷，常采用打磨修復方法。打磨量直接影響修復后齒塊的剩余強度。以一臺蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強度進行了有限元分析。由分析結果可知，在嚙合齒塊齒側出現裂紋時，齒間應力值大于完好狀態下齒塊間應力，且隨著打磨量的增加，齒間最大應力值呈增大趨勢。比較不同的修復方式，以導圓角的形式進行修復齒間應力值較小，但導圓角半徑應小于15mm.

齒側裂紋；打磨量；快開容器；有限元分析

蒸壓釜是一種典型的間歇操作設備，為了裝卸產品，常設置貫通式齒嚙合快開門結構[1]。對于齒嚙式蒸壓釜，在一定溫度及壓力條件下運行，其嚙合齒塊根部承受復雜的應力作用，在長期復雜應力以及腐蝕環境作用下將形成裂紋，導致蒸壓釜密封性降低，甚至失效[2，3]。在實際的檢修及維修過程中，常采用機械打磨的方式來消除齒塊裂紋，打磨處幾何形狀及打磨量直接影響修復后齒塊的剩余強度。本文以一臺齒嚙式蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強度進行了有限元分析。以確定合適的打磨形狀及允許的最大打磨量。

1 嚙合齒塊的有限元分析

1.1 蒸壓釜的基本參數

蒸壓釜釜體內徑為2850 mm，壁厚20 mm，釜蓋為受內壓的球殼體，壁厚22 mm，材料為Q345R.法蘭為一圓環形結構，材料為Q345鍛件。蒸壓釜設計壓力為1.6 MPa，最高允許工作壓力1.5 MPa，設計溫度210℃，彈性模量2.06×105MPa，泊松比為0.3，設計溫度下法蘭的應力強度為142MPa.

1.2 有限元模型建立

蒸壓釜釜體與釜蓋的連接是通過法蘭上的釜齒相互嚙合，釜齒沿圓周均勻分布有40對，取一個法蘭齒及兩側相鄰半個齒間隙作為研究對象，相鄰齒之間中心夾角為9°，截取局部子結構建立計算模型，通過Solidworks建立三維模型導入ANSYS，以建立齒嚙式快開結構有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 網格劃分

在執行網格劃分時，選擇ANSYS提供的Meshtool工具進行網格劃分。選擇六面體單元進行Sweep掃掠劃分，并且在兩法蘭的接觸面執行網格細化操作。

1.4 接觸分析

在實際操作中，釜體法蘭和釜蓋法蘭是通過嚙合齒之間的接觸來實現力的傳遞和彼此之間約束的[4]。目標單元選用TRGET170，接觸單元選用CONTACT174.采用ANSYS中面－面接觸模型，在劃分好網格的有限元模型上建立一個以釜體法蘭嚙合齒的下齒面為目標面、釜蓋法蘭嚙合齒的上齒面為接觸面的接觸對來描述兩個齒面的接觸行為。

1.5 邊界條件

在模型結構的內表面施加均勻載荷1.6 MPa，在蒸壓釜快開裝置結構對稱面和釜頭切面上施加軸對稱約束，在嚙合齒塊的幾何對稱中心處施加徑向位移約束。

1.6 求解

對蒸壓釜實體模型加載后，可進行后續計算。

2 帶有裂紋嚙合齒塊有限元分析

為分析裂紋缺陷對嚙合齒塊受力的影響程度，用上述有限元計算方法分別對完好齒塊和帶有裂紋缺陷的齒塊進行分析。在構建帶裂紋嚙合齒塊的模型時，用半V型槽口（開30°槽口）來代替裂紋。根據求解結果，得到完好齒塊和帶裂紋齒塊應力云圖，如圖2所示。

圖2 嚙合齒塊應力云圖

由圖2可知，完好齒塊齒間最大應力值為352.10 MPa，帶裂紋齒塊齒間最大應力值為368.89 MPa，比完好齒塊齒間最大應力值大，因此帶有裂紋缺陷嚙合齒塊承受較高應力，對其安全使用產生影響，必須進行修復。

3 裂紋修復后的嚙合齒塊剩余強度有限元分析

按照相關技術要求，裂紋等缺陷是不允許存在的，所以必須通過機械加工的方法予以消除。常采用打磨方法，針對不同的打磨形式和打磨量，對修復后的齒塊齒間應力做有限元分析。分以下兩組情況進行模擬，第一組分別取不同導圓尺寸，即圓角半徑r1=0 mm、5 mm、10 mm、15 mm這4種情況進行模擬；第二組模擬取打磨形式向齒側內側凹陷情況，齒側圓弧半徑r2=12.5 mm、15 mm、17.5 mm這3種情況進行模擬（模擬凹陷的圓弧圓心位置相比圓角更靠近齒側內側）。其中圓角尺寸r1=5 mm及圓弧尺寸r2=12.5 mm的Solidworks局部模型如圖3所示。

圖3 二種修復形式的齒塊Solidworks局部模型

對不同打磨尺寸下的嚙合齒塊建立模型，按前述有限元分析方法進行求解，提取嚙合齒塊齒間最大應力值分別列入表1、表2中。

表1 不同圓角尺寸下的最大應力值

表2 不同圓弧尺寸下的最大應力值

從表1看出，隨著釜嚙合齒塊齒側圓角半徑r1的增加，齒間最大應力值呈增大趨勢，r1每增加5 mm，最大應力值增加約30 MPa.從表2看出，隨著凹陷圓弧的增加，最大應力值也呈增大趨勢，在圓弧尺寸r2為12.5～17.5 mm時，弧深每增加2.5 mm，最大應力增加40 MPa.但凹陷圓弧的修復方式，比對應的圓角修復方式，齒間最大應力值要高。

裂紋產生的部位屬于釜體齒根處和釜體法蘭的結構不連續處，需用分析設計標準進行強度校核，規定其限制條件如下[5]：

其中，PL為一次局部薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Q為二次應力；Sm為法蘭的設計應力強度；取應力集中系數K為1.

對兩種打磨方式下不同打磨量的齒間最大應力值進行校核，圓角打磨方式下，4種圓角尺寸的最大應力值均滿足強度要求，其中當r1=15 mm時，Smax=422.60＜3×142=426 MPa，接近限制條件；向齒側內側凹陷打磨時，當圓弧尺寸r2=12.5 mm時，Smax=427.86>426 MPa，超過限制條件，不滿足強度要求?？梢?，在實際打磨過程中，以導圓角的方式進行打磨更加安全，且圓角尺寸盡量小，以保證齒塊的剩余強度。

4 結束語

本文以一臺齒嚙式蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對產生裂紋的嚙合齒塊及不同打磨程度下的嚙合齒塊剩余強度進行了有限元分析，得到如下結果：

（1）齒側帶有裂紋的嚙合齒塊間應力大于無裂紋的完好齒塊間應力，需要對其進行修復處理；

（2）對齒側開不同尺寸圓角的打磨方式，隨著圓角半徑r1越大，齒間最大應力值增大，且圓角半徑r1每增加5mm，最大應力值增加約30MPa；

（3）對齒側打磨出不同凹陷尺寸，隨著凹陷圓弧半徑r2增大，齒間最大應力值增大，且圓弧半徑r2每增加2.5mm，最大應力值增加約40 MPa.

（4）圓角打磨方式下，4種圓角尺寸下的最大應力值均滿足強度要求；當凹陷圓弧尺寸r2=12.5 mm時，最大應力值超過限制條件，不滿足強度要求。

在實際打磨過程中，以導圓角的方式進行打磨對齒塊強度的影響較小，但為保證齒塊強度要求，圓角尺寸應盡量小。

[1]吳汝楊.基于ANSYS的蒸壓釜罐口結構設計[J].機電技術，2010，32（5）：127-129.

[2]陸龍星，孔令昌，陳煒美.在用蒸壓釜停車檢驗與裂紋分析[J].化學工程與裝備，2014（1）：75-76.

[3]雷榮開.蒸壓釜裂紋成因探討[J].機電技術，2012（3）：121-122.

[4]楊剛，經樹棟.齒嚙式快開壓力容器的接觸分析[J].化工設備與管道，2006，43（3）：19-23.

[5]原中華人民共和國機械工業部.JB4732-1995（2005年確認）.鋼制壓力容器—分析設計標準[S].北京：全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會，2005.

Finite Element Analysis of Residual Strength After Repair for The Tooth Root Side Crack of Tooth-Meshing Type Autoclave

WANG Bing1，CONG Xiang-chun2，ZHANG Ying2，LIU Yan-lei1，LI Hong-biao3
（1.Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou Zhejiang 310003，China；2.Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China；3.Daqing Petrochemical Company refinery，Daqing Heilongjiang 163714，China）

In the process of use，the meshing tooth root side of tooth-meshing type autoclave is easy to appear crack and other defects.So the polishing method is often used to repair.The amount of polishing directly affects the residual strength of the meshing-tooth after repaired.In this paper，a tooth-meshing type autoclave is taken as an example. The finite element analysis was carried out on the residual strength of the meshing-tooth with different polish degree or the meshing-tooth with crack.It can be seen from the analysis that when the crack occurs on the tooth root side，the stress value is greater than that produced in the intact meshing-tooth.With the increase of polishing degree，the stress between teeth tend to increase.Comparing different polish methods，there produces a smaller stress value on the meshing-tooth when adopts guiding fillet form.But the fillet radius should be less than 15mm.

meshing-tooth side crack；polishing amount；quick-opening container；finite element analysis

TH49

A

1672-545X（2017）02-0184-03

2016-11-05

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2015QK085）

王兵（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，工學碩士，研究方向為特種設備安全檢驗。