旋風(fēng)分離器頂部出口加筋平蓋應(yīng)力分析與強度評定

欒德玉，李龍斌，王松松，王風(fēng)磊，郭祥忠，李 沂

(1.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266061)(2.青島暢隆電力設(shè)備有限公司，山東 青島 266700)

旋風(fēng)分離器是一種氣固體系或液固體系的分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用于制藥和石油化工等行業(yè)。平蓋是旋風(fēng)分離器常用的封頭形式，在內(nèi)壓及外載的作用下，接管連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致工業(yè)事故的發(fā)生。因此，對旋風(fēng)分離器頂部的平蓋結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析與強度評定，是旋風(fēng)分離器安全運行的重要保障。

目前，從平蓋的受力分析研究成果來看[1-5]，研究主要集中在平蓋開孔的補強計算方面，對旋風(fēng)分離器平蓋整體受力的研究比較少。帥勃列[6]對筋板結(jié)構(gòu)為一字形、工字形、井字形和輻射形的平蓋受力進行了比較分析，結(jié)果表明，具有輻射形筋板的平蓋結(jié)構(gòu)受力最好，所需平蓋厚度最薄；鐘煥杰[7]用拓撲優(yōu)化的方法，將平蓋的筋板布局轉(zhuǎn)化為拓撲優(yōu)化結(jié)果中的材料痕跡分布問題，并依據(jù)材料痕跡分布情況設(shè)置加強筋的位置；程新宇等[8]運用ANSYS Workbench對壓力容器接管處的應(yīng)力分布進行了探究。本文應(yīng)用有限元軟件，對平蓋整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進行研究，在筋板面積和厚度相同的情況下，對比分析無筋板以及設(shè)置等面積的矩形筋板和三角形筋板時的平蓋受力特征和變形情況，根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對平蓋進行強度評定，以期為平蓋優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 模型結(jié)構(gòu)尺寸及技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

某工程中旋風(fēng)分離器的筒體長度L=3 000 mm，筒體內(nèi)徑D1=1 950 mm，筒體壁厚δ1=8 mm，平蓋位于旋風(fēng)分離器頂部，其直徑D=1 982 mm，厚度δ2=20 mm，平蓋上的接管規(guī)格為φ820 mm×10 mm，接管高度H=250 mm。10塊筋板均布，三角形筋板長度L1=581 mm，筋板高度為h，端部高度h1=3 mm，筋板厚度δ3=16 mm；矩形筋板面積與三角形筋板相同，且厚度一致，高度為h2，長度L2=L1，如圖1所示。

圖1 旋風(fēng)分離器及加筋平蓋示意圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

旋風(fēng)分離器平蓋的設(shè)計條件和相關(guān)材料特性見表1。筒體/接管/筋板材質(zhì)為Q345R。

表1 技術(shù)參數(shù)

2 數(shù)值計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

分別建立無筋板平蓋、矩形筋板平蓋和三角形筋板平蓋模型，加筋平蓋除筋板形式不同外，其他參數(shù)均與圖1示例相同。為簡化計算，不考慮筋板連接處焊縫的影響。

網(wǎng)格劃分時采用Workbench中的十節(jié)點四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格數(shù)量直接影響計算量的大小，因此要在保證精度的前提下盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量，在結(jié)構(gòu)的不同部位采用不同密度的網(wǎng)格。劃分時，在應(yīng)力集中的接管與筒體相貫的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，采用較密集的網(wǎng)格，由相貫線往外網(wǎng)格密度逐漸降低，以保證相貫區(qū)的計算精度。

2.2 邊界條件

模型受到的載荷有外壓、內(nèi)壓、重力、支撐力及遠程力，遠程力大小為12 276 N，由于重力和支撐力對計算結(jié)果的影響較小，可以忽略。在平蓋和接管的內(nèi)表面施加設(shè)計壓力Pd=0.05 MPa，在接管端面施加等效壓力PY=0.988 MPa(可由式(1)求得)，在平蓋側(cè)面施加固定約束。

(1)

式中：d0為接管外徑，m；δ為接管厚度，m。

3 結(jié)果及討論

3.1 應(yīng)力分布及變形情況

無筋板的旋風(fēng)分離器平蓋，在內(nèi)壓和外載的作用下的應(yīng)力分布和變形如圖2所示。由圖可以看出，接管區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，是高應(yīng)力區(qū)，遠離接管區(qū)應(yīng)力分布趨于均勻；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在接管與平蓋相連處，達到了560.17 MPa；開孔處的變形量較大，沿徑向逐漸降低，最大變形量出現(xiàn)在接管處，為9.21 mm。綜合這些現(xiàn)象可知，無筋板的平蓋可能出現(xiàn)由強度不足引發(fā)的失效。

圖2 無筋板平蓋應(yīng)力分布及變形

矩形筋板高度h2分別為100 mm、110 mm、120 mm時，平蓋在內(nèi)壓及外載作用下的最大等效應(yīng)力如圖3所示，總變形如圖4所示。在筋板長度和面積相同的前提下，三角形筋板對應(yīng)的高度h分別為197 mm、217 mm、237 mm時，平蓋的最大等效應(yīng)力如圖5所示，總變形量如圖6所示。可以看出，加筋板后，平蓋應(yīng)力強度明顯降低，消除了接管處的高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分布也趨于均勻，表明加筋板改善了平蓋的整體受力情況，最大應(yīng)力點均出現(xiàn)在筋板與接管連接的上端部，變形量出現(xiàn)在受力比較集中的接管上端，最大變形量明顯降低。

圖3 矩形筋板平蓋應(yīng)力分布

圖4 矩形筋板平蓋變形量分布

圖5 三角形筋板平蓋應(yīng)力分布

同矩形筋板相比，在面積和厚度相同的前提下，各個對應(yīng)高度的三角形筋板等效應(yīng)力和變形量均有明顯降低，等效應(yīng)力最大降低27%，變形量最大降低35%，表明三角形筋板結(jié)構(gòu)在應(yīng)力分布和變形量上均優(yōu)于矩形筋板。

3.2 應(yīng)力評定

由JB 4732—1995中的應(yīng)力分類原則可知，對不同類型的應(yīng)力強度，需要用不同的許用極限來判定。在內(nèi)壓和外載的作用下，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在接管與筋板的連接處。首先運用線性處理法對應(yīng)力進行當(dāng)量化線性處理，然后進行應(yīng)力分類和評定。在平蓋最大應(yīng)力點處，選取垂直貫穿接管壁厚的方向作為應(yīng)力線性化處理路徑，將各應(yīng)力分量沿這條處理線進行應(yīng)力分析與評定。

在筋板與接管連接處，內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb，結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q。對應(yīng)力進行線性化處理，能獲得薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。一次應(yīng)力的許用值主要用于表征韌性斷裂和塑性失穩(wěn)，由安定性確定的二次應(yīng)力許用值，主要用于表征塑性疲勞和過度塑性變形。線性化處理后的應(yīng)力分布曲線如圖7所示。

圖7 應(yīng)力線性化分布曲線

由于不同應(yīng)力對壓力容器失效的危害程度不同，因此不能采用相同的安全系數(shù)。應(yīng)力強度的安全判據(jù)如下[9]：

PL<1.5KSm

(2)

PL+Pb+Q<3Sm

(3)

式中：K為載荷組合系數(shù),取1；Sm為設(shè)計溫度下材料的應(yīng)力強度，MPa，取[σ]的值。

因此應(yīng)力評定準(zhǔn)則為：

PL<1.5K[σ]=1.5×1×125=

187.5(MPa)

PL+Pb+Q<3Sm=3×125=375(MPa)

表3列出了應(yīng)力線性化后應(yīng)力評定結(jié)果。

表3 應(yīng)力評定結(jié)果

由圖7可知，筋板厚度與面積相同時，三角形筋板的薄膜應(yīng)力、一次加二次應(yīng)力相對于矩形筋板均大幅度減小，三角形筋板的受力狀況更好，相同工況下安全性強于矩形筋板。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，對旋風(fēng)分離器平蓋的受力情況進行數(shù)值計算，通過對一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的評定，證明三角形筋板平蓋的受力狀況更好，結(jié)構(gòu)的安全性更高，為工程中內(nèi)壓容器的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。