超設計壽命的吸附塔的應力分析

康曉鵬，宋利濱

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

1 引言

某醫院一臺吸附塔運行年限已達到其設計圖紙中所給出的設計壽命，經現場檢驗發現，介質對該吸附塔本體的腐蝕速率較小，無損檢測未發現可記錄的超標缺陷，根據現場檢驗結果，分析認為該吸附塔可進行適當的延期使用。

為了評價該塔至下一個檢驗周期（3a）內能否正常安全運行，根據檢驗結果，依照JB4732—1995對吸附塔進行應力分析并對分析結果進行評定。該吸附塔結構如圖1所示，基本技術參數如表1所示。

圖1 吸附塔的結構示意圖

表1 吸附塔的基本技術參數表

2 潛在失效模式分析

根據該吸收塔的操作條件可知，該吸收塔操作工況為交變載荷，故存在疲勞失效模式；介質操作溫度為常溫，故可排除蠕變失效模式；介質為空氣和氮氣，因此無須考慮應力腐蝕問題。結構的潛在失效模式確定為由交變載荷引起的疲勞失效或因凈強度削弱導致的塑性失效。

3 設備評價參數

吸附塔的材料為Q235B，彈性模量192GPa，屈服強度235MPa，抗拉強度375MPa，泊松比0.3。預計下一檢驗周期為3a，根據檢驗情況可計算出吸附塔筒體有效壁厚為6.97mm，封頭有效壁厚為6.87mm。

4 應力分析

采用有限元分析軟件ANSYS進行應力分析，按照JB4732—1995中規定對其進行應力評定。在對吸附塔進行應力評定時，基于偏保守原則，將二次應力歸于一次應力考慮。由于該設備主要考察總體和局部靜強度及疲勞分析，故僅對下列3個準則進行校核[1]。

1）一次總體薄膜應力強度SI小于1KSm；

2）一次局部薄膜應力強度SII小于 1.5KSm；

3）一次局部薄膜加一次彎曲應力強度SIII小于 1.5KSm。

其中Sm 為許用應力，Q235B材料在常溫下的許用應力為 113MPa；K是載荷組合系數，由于不考慮重力、風載荷和地震載荷，此處 K 值取 1.0。

考慮到本設備的載荷分布和幾何結構的對稱性，并充分利用計算機資源，對可能由工作載荷引起高應力部位進行應力分析，具體分析部位及模型類別如下所示：

（1）模型Ⅰ。分析部位：筒體+下封頭（如圖1所示）；模型形式：軸對稱模型。

（2）模型II。分析部位：筒體+接管（如圖1所示）；模型形式：1/4結構靜力分析模型。

4.1 模型Ⅰ應力分析

4.1.1 模型Ⅰ有限元模型及網格劃分

根據吸附塔模型Ⅰ幾何結構對稱性和工作載荷的對稱性，分析時采用軸對稱模型進行應力分析。其中筒體長度取L=300m，筒體壁厚t=6.97mm，封頭壁厚t1=6.87mm。分析時選用8節點Plane82單元模擬吸附塔筒體及封頭結構；采用Mapped方式劃分網格，為了保證計算精度，沿筒體及封頭壁厚方向劃分3層，劃分后的網格共含有單元600個，節點2 207個。

4.1.2 模型Ⅰ邊界條件

（1）位移邊界條件：約束筒體上端面Y方向位移為零（Y方向為設備筒體軸向方向）；

（2）力邊界條件：筒體和封頭內表面施加工作載荷Pc=0.6MPa。

4.1.3 模型Ⅰ應力分析結果及線性化結果評定

圖2 為工作壓力作用下的應力強度 SINT（第三強度理論）云圖和應力線性化路徑圖，圖中紅色區域表示高應力區，藍色區域表示低應力區，在高應力區部位建立了5個路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對路徑下的應力強度進行分類。表2為工作壓力下各路徑應力強度及評定結果。

圖2 模型I應力強度SINT云圖及應力線性化路徑圖

表2 工作壓力下各路徑應力強度及評定結果

4.2 模型Ⅱ應力分析

4.2.1 模型Ⅱ有限元模型及網格劃分

根據吸附塔模型Ⅱ幾何結構對稱性和工作載荷的對稱性，分析時建立其1/8結構進行應力分析。其中筒體長度取L=300mm，筒體壁厚t=6.97mm，接管壁厚t2=3.5mm。分析時選用20節點三維實體Solid95單元模擬吸附塔筒體及接管結構；選采用Sweep（掃掠）方式劃分網格，為了保證計算精度，沿筒體及接管壁厚方向劃分3層，劃分后的網格共含有單元39 069個，節點197 125個。

4.2.2 模型Ⅱ邊界條件

（1）位移邊界條件：在模型Ⅱ各對稱面上施加對稱位移約束；

（2）力邊界條件：在筒體內表面及接管表面施加最大工作載荷pc=0.6MPa，在筒體和接管軸向端面分別施加等效應力載荷pd1=12.4MPa和pd2=1.71MPa。

4.2.3 模型Ⅱ應力分析結果及線性化結果評定

圖2 為工作壓力作用下的應力強度 SINT（第三強度理論）云圖及應力線性化路徑圖，圖中紅色區域表示高應力區，藍色區域表示低應力區，在高應力區部位建立了2個路徑。利用ANSYS路徑線性化功能即可對路徑下的應力強度進行分類。表3為工作壓力下各路徑應力強度及評定結果。

表3 工作壓力下各路徑應力強度及評定結果

圖3 模型Ⅱ應力強度SINT云圖及應力線性化路徑圖

5 疲勞分析

根據上述應力分析結果可知，在工作壓力pc=0.6MPa載荷條件下，模型Ⅰ和模型Ⅱ最大應力點分別出現在封頭過渡段內側及筒體與接管連接內表面上，最大應力強度分別為58.74MPa和74.67MPa。

吸附塔工作壓力波動范圍為0～0.6MPa，即壓力波動幅Δpc=0.6MPa，根據力的疊加原理可得，在該循環載荷工況下應力最大點處的總應力幅：

考慮到材料彈性模量后所對應的交變應力幅為：模型Ⅰ：

模型Ⅱ：

圖4為溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼設計壽命曲線[1]。查圖4可知，模型Ⅰ和模型Ⅱ由交變工作載荷所引起的交變應力幅值對應的許用循環次數均為無限，故吸附塔滿足至下一個檢驗周期（3a）疲勞性能的要求。

圖4 溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼設計壽命曲線

6 結論

基于以上應力分析和疲勞分析結果，該吸附塔在操作壓力不超過0.6MPa，壓力波動為0～0.6MPa，循環周期不低于120s/次條件下可以通過JB4732—1995標準中的有關要求，可以繼續運行3a的檢驗周期，但使用單位在該吸附塔繼續運行期間應加強監控，避免壓力劇烈波動。