基于可靠性的直壓式超高壓處理金屬設備結構優化改進研究

高 佳

（江蘇信泰化工裝備有限公司，江蘇 睢寧 211500）

超高壓生物處理技術開發日趨多元化，以滿足食品滅菌保鮮、病毒滅活、生物萃取等方面的需求，為此本文重點關注和探討直壓式超高壓處理金屬設備，優化改進直壓式超高壓處理金屬設備的結構，提升直壓式超高壓處理金屬設備的可靠性。

1 超高壓金屬設備及可靠性技術概述

超高壓金屬設備的可靠性技術通常是采用瞬時性、均勻性的壓力傳遞方式，具有可控性和工藝穩定性，并僅加壓破壞弱鍵連接的次級結構。

2 直壓式超高壓處理金屬設備結構框架的改進方案

2.1 直壓式超高壓處理金屬設備結構框架受力分析

直壓式超高壓處理金屬設備的外框架可以采用不同方式進行設計，其一是采用材料為16Mn槽鋼的焊接框架，該框架存在焊接質量參差不齊的問題，但其優點在于不局限焊接物的體積大小，焊接較為簡易可行。其二是采用42CrMo鋼材的鑄造框架，它具有較高的安全系數，然而體型偏大，存在縮孔和縮松的問題。為此，本文重點研究400MPa額定壓力、1539KN額定承受拉力、開口直徑為70mm的超高壓處理金屬設備，通過ANSYS有限元分析，直壓式超高壓金屬設備的側板與上下臺面接觸焊接的地方存在應力集中現象，并在上面臺面中間位置存在較大的變形，為此要進行優化和改進[1]。

2.2 優化改進方案

（1）直壓式超高壓金屬設備的輕量化改進與優化。由于金屬設備上下橫梁存在變形而引起的破壞現象，為此要重點考慮上下橫梁的結構優化，可以將原先一橫兩縱的橫梁改變為兩橫一縱，減少橫梁的變形現象，使其最大變形量減少8%，改善應力集中現象，較好地提升橫梁的剛度。

（2）直壓式超高壓設備的體積縮減改進與優化。要通過減小側板筋板的寬度方式，向內縮進金屬設備焊接框架的側邊框，降低上下橫梁的高度，減少橫梁的剛度[2]。

（3）超高壓壓力容器優化設計。在超高壓壓力容器的優化設計之前，要精準計算壓力容器內筒和外筒過盈配合之間的過盈量，通常為0.2mm。在此前提下進行超高壓壓力容器的優化設計：可以改變超高壓壓力容器金屬設備結構的材料，避免結構脆性斷裂破壞、疲勞損壞和屈曲失穩的問題。還可以利用熱脹冷縮的原理加熱外層容器，可以使超高壓壓力外層容器增大，并對內層圓筒產生具有一定預應力的壓縮作用，實現超高壓壓力容器的熱套合，延長雙層超高壓壓力容器的使用壽命。直壓式超高壓壓力容器之中，內筒中的盲孔會產生應力集中的問題，導致超高壓壓力容器內筒的安全系數下降。要增大超高壓壓力容器盲孔處的圓角半徑，降低盲孔處的應力集中現象，提升超高壓壓力容器盲孔一端的強度，使直壓式超高壓壓力容器的安全系數達到1.3。

3 直壓式超高壓處理金屬設備的可靠性分析

3.1 結構工藝參數的可靠性影響分析

（1）上下橫梁平行度對應力分布及變形影響。直壓式超高壓處理金屬設備的生產制造過程難免出現上下橫梁不平行的誤差，影響金屬設備高壓柱塞部分與高壓筒中軸線的重合，降低直壓式超高壓金屬設備的使用效果。具體可以從下不同情形進行分析：①上下橫梁不平行度為0.05時的結構最大應力和最大變形分別為220.54MPa、0.37mm。②上下橫梁不平行度為0.10時的結構最大應力和最大變形分別為222MPa、0.37mm。③上下橫梁不平行度為0.15時的結構最大應力和最大變形分別為223MPa、0.37mm。焊接直壓式超高壓處理金屬設備框架應力和變形分別提升了8%、39%，總體來說還在可控范圍內，對直壓式超高壓處理設備結構不會產生太大的安全性影響。

（2）邊框厚度誤差對超高壓處理金屬設備可靠性的影響。①邊框厚度誤差為0.10mm時的結構最大應力和最大變形分別為216MPa、0.36mm。②邊框厚度誤差為0.20mm時的結構最大應力和最大變形分別為224MPa、0.36mm。由上可知，邊框厚度誤差對直壓式超高壓處理金屬設備的結構影響變化較小，不會影響結構的安全可靠性使用。

3.2 超高壓金屬設備的可靠性分析

（1）基于參數變量的超高壓金屬設備可靠性分析。對于直壓式超高壓處理金屬設備的結構可靠性分析，包括剛度和強度兩個方面，由于焊接金屬設備結構的變形較為嚴重，無法使壓力容器保持良好的密閉空間，因而通常考慮剛度對超高壓金屬設備的可靠性影響。在進行直壓式超高壓處理金屬設備的可靠度設計時，要重點對各參數變量進行簡化處理，具體包括有：①金屬材料強度和斷裂韌性參數的處理。由于強度和斷裂韌性表現出一定的分散性，對此要進行隨機處理，重點考慮彈性模量的取值范圍、變差系數、均值和標準差對超高壓框架結構穩定可靠性的影響。②尺寸參數的處理。直壓式超高壓處理金屬設備在生產制造過程中，會受到加工機床、量具以及操作人員的影響，其重點部位的尺寸參數會對結構可靠性產生影響，為此也要將重點部位的尺寸參數作為隨機變量進行處理。

（2）直壓式超高壓處理金屬設備結構疲勞強度分析。通過計算和分析可知，直壓式超高壓處理金屬設備焊接框架最小可以承受3×105次的隨機載荷，而位于焊接框架側板部位的尖角處則因應力集中現象而存在疲勞壽命最短的問題。

4 小結

綜上所述，本文重點對焊接直壓式超高壓處理金屬設備結構進行優化改進分析，利用ANSYS計算和分析直壓式超高壓處理金屬設備的應力及應變分布狀態，替換并減薄直壓式超高壓處理金屬設備結構的側板和上下橫梁，以提升焊接框架結構的強度，實現焊接框架結構的輕量化。同時，還要合理改進和優化直壓式超高壓處理金屬設備的上下橫梁排布方式，提升焊接框架結構的剛度，延長直壓式超高壓處理金屬設備結構的使用壽命。未來還要加強對超高壓金屬設備液壓部分的研究和可靠性分析。