蒸壓釜快開裝置的疲勞分析及齒根裂紋修復

張 璇 銀川科技學院 銀川 750021

王 軍 銀川高新技術產業開發總公司 銀川 750001

蒸壓釜是一種體積大，耐高壓，重量大的壓力容器，廣泛應用于石油、化工、醫藥、食品等領域。齒嚙式快開裝置是蒸壓釜工作的關鍵部位，在長期低周循環載荷下，壓力、溫度都在不斷的發生周期性變化，應力集中較高、塑性變形較大的嚙合齒塊部位最先形成細小裂紋，裂紋的持續擴展使齒塊能傳遞或者承受的載荷越來越少，最終致使齒塊的斷裂失效，這種現象稱為容器疲勞破壞。針對這種情況，工業上多數采取的措施是對損傷的齒塊進行打磨修復，但是對齒塊修復的合理打磨量研究較少。所以本文借助ANSYS軟件對齒嚙式快開裝置進行疲勞分析，研究蒸壓釜在使用過程的齒塊裂紋成因、齒塊壽命以及齒根損傷的修復，為蒸壓釜的設計、制造與維護提供參考意見。

1 理想狀態下的疲勞分析

1.1 基本研究思路

在強度分析之后進行疲勞分析，需要先定義載荷事件以及材料疲勞特性，再計算各個載荷事件的疲勞壽命，由線性疲勞積累損傷準則來評判是否發生疲勞。依據最小能量屈服準則，將蒸壓釜復雜的受力狀態用一個等效應力來替代。

1.2 蒸壓釜基本參數

本文所研究的蒸壓釜帶有球冠狀封頭，主要由齒嚙式快開裝置和釜體等結構組成。具體參數見表1。

表1 蒸壓釜的基本參數表

蒸壓釜的一個工作周期(8小時)包含升溫、恒溫、降溫三個階段，見圖1。在重力載荷不變的情況下，內壓起到主要作用。

圖1 內壓循環圖

1.3 施加低周循環載荷

求解流程見圖2。

圖2 求解流程圖

1.4 疲勞分析及評定

通過時間歷程分析，確定了快開裝置在循環載荷的作用下隨時間線性變化的應力情況，見圖3(a)、(b)。

圖3 循環載荷下的應力云圖

應力集中部位的最大應力是研究疲勞壽命的關鍵，從圖3中提取最大應力值，記下節點號，恢復后處理器中的數據庫。設定疲勞評定為一個位置、一個事件及兩個載荷。依據材料S-N曲線特性計算各種耗用系數，見表2。

表2 S-N數據 (MPa)

設定載荷事件執行20000次循環，載荷比例系數設為1，并采用“雨流”計數。疲勞評定選用第一主應力值最大的節點的應力強度值或應力云圖中的最大峰值應力，記為Smax=181.92MPa，見圖4。

圖4 第一主應力云圖

交變應力強度幅Sa可按下式(1)確定。

(1)

式中，E為Q345R的彈性模量；Et為Q345鍛件的彈性模量。

當Smax=181.92MPa時，算得Sa=89.23MPa。根據JB4732-1995查表C-1知，蒸壓釜在該循環應力幅下，允許循環次數最大為106次，大于設計值105次，故滿足疲勞強度。依據Miner疲勞損傷累積理論，在恒定應力幅σ的作用下，蒸壓釜承壓工作循環次數為N時，將產生疲勞失效。若蒸壓釜在σ的作用下的的循環次數為n(n

(2)

由公式(2)得，當損傷率總和達到1時，蒸壓釜就預測會出現疲勞失效。查看圖4，最大應力節點的疲勞積累損傷系數為1.16097>1，說明在循環次數達到20000次時，裝置的強度已不能滿足疲勞強度的要求。

不同的循環次數對應裝置的疲勞壽命,見圖5。

圖5 疲勞積累損傷系數圖

從圖5總結得出，積累損傷系數與循環次數呈正比例增長，增幅約為0.1/2000。17000次循環時的疲勞積累損傷系數已達到0.99，非常接近1.0，故蒸壓釜的疲勞壽命約為17000次循環，連續工作狀態下的使用壽命約為15年。

2 帶齒塊裂紋的疲勞分析

模擬快開結構的齒塊裂紋用5mm的V型坡口來代替，建立有限元幾何模型,見圖6。

圖6 帶有裂紋的齒塊模型

對帶裂紋的快開裝置施加低周循環載荷的過程見本文1.3節，帶有裂紋缺陷的嚙合齒塊應力云圖見圖7。

圖7 帶裂紋的齒塊應力圖

通過疲勞分析，讀取釜體法蘭齒根處的最大第一主應力，強度值為Smax=197.83MPa。按式(1)算得：Sa=94.09MPa。在該循環應力幅下，齒側部位的允許循環數約為5×105次，疲勞壽命大于設計值105次，滿足疲勞強度要求。但當循環次數接近5500次時，疲勞積累損傷系數已經很接近1，此時應力最大值為583.27 MPa。若繼續增加循環次數，結構會瞬間出現疲勞失效，產生折斷現象。因此,可以得出結論：當蒸壓釜釜體齒根處出現裂紋時，疲勞壽命最長達到5年。

3 裂紋修復后的疲勞分析

按照技術要求，裂紋等缺陷是不允許存在的，所以必須通過人工機械加工的方法加以消除。釜體齒根缺陷修復圖見圖8。根據裂紋的深淺，對釜體齒根裂紋做不同尺寸的圓角打磨，圖8(b)中的齒根內側凹坑即是打磨修復造成的。

圖8 釜體齒根缺陷修復圖

分別取不同的打磨尺寸d=25mm、30mm、35mm，沿齒塊徑向進行切割,見圖9。

圖9 不同打磨尺寸模型

經過ANSYS有限元疲勞計算，對以上不同打磨尺寸進行列表匯總，見表3。

表3 不同打磨尺寸下的應力變化表

從表3看出，隨著打磨尺寸的加深，最大第一主應力先減小后增加，在圓角尺寸d為25～30mm時，最大第一主應力明顯降低，疲勞循環次數顯著增加，裂紋損傷得到有效改善。根據以上規律和設計的應力強度可知，允許的最大打磨尺寸為30mm以內。

4 結語

用ANSYS處理齒嚙式快開裝置的疲勞破壞問題，計算出疲勞積累損傷系數，能有效預測使用壽命。經過模擬后得出結論：

(1)循環次數越多，磨損越重。齒嚙式壓力容器的最大應力出現在釜體齒塊上，最大應力值為405.673MPa，循環次數不超過17000次(約15年)，此時最大應力節點的疲勞積累損傷系數為0.99。

(2)以釜體齒根處開V型坡口來代替釜體齒根處裂紋，模擬得到：在循環次數為6000時，疲勞積累損傷系數就已經超過1；循環次數為5500次時，計算疲勞壽命約為5年，此時應力最大值為583.27MPa。

(3)采用打磨的方式修復釜體齒根處裂紋，造成釜體齒根處出現凹坑。當出現細小裂紋時，可以通過小尺寸的機械打磨的方式進行損傷修復。裂紋打磨前應采用無損檢測技術確認裂紋的深度和范圍，當裂紋的深度較大時，不可采取大尺寸的打磨，否則結構的機械強度大大降低，打磨后需再次進行無損檢測以保證修復的有效性。