基于有限元方法分析不同啮合度下快开门式压力容器的力学性能

杨 薇，韩树新，刘延雷,何承代，王 飞

（1.杭州杭氧钢结构设备安装有限公司，浙江 杭州 311305；2.杭州市特种设备检测院，浙江 杭州 310003）

0 引 言

快开门式压力容器是指进出容器通道的端盖或者封头和主体间带有互相嵌套的快速密封锁紧装置的容器。由于快开门式压力容器操作过程中加压和泄压时间较短，其作为关键性生产设备被广泛应用于化工、轻工、纺织、建材和医药卫生等行业。据统计，快开门式压力容器爆炸事故约占国内压力容器事故的四分之一左右，因此快开门式压力容器的安全运行关系到人民的生命与财产安全，也受到了政府及各级主管部门的高度重视[1-4]。

2009年8月，国家质检总局正式颁布了《固定式压力容器安全技术监察规程》，规定快开门式压力容器当具有以下要求的安全联锁功能：1）当快开门达到预定关闭部位，方能升压运行；2）当压力容器的内部压力完全释放，方能打开快开门[5]。虽然国家颁布了相关的规定，但快开门式压力容器的爆炸事故仍时有发生。据统计表明，未完全啮合升压和带余压开门是爆炸事故的主要原因[6]。

图1 齿啮式容器结构示意图

对此，针对一台齿啮式快开门式压力容器，如图1所示。文中基于有限元方法分析了不同啮合度下的力学性能，考察啮合度对容器承载能力的影响。建立有限元模型后，首先进行齿啮法兰整体有限元应力分析，确定最大应力强度的部位；然后计算20%、15%、10%、5%、3%啮合状态下可承受的最大载荷，且确定失效部位；最后，在4.0MPa内压载荷作用下，分别计算100%、90%、80%和70%啮合状态下的疲劳寿命。

1 计算模型

该容器的门盖啮合部分具体尺寸，如图2所示。由于齿分布的不连续性和沿周向的对称性，齿啮式快开容器不是严格的轴对称结构，其受力和变形可归结为广义轴对称问题。构造有限元整体模型时，取1/6建立模型，如网格化后模型，如图3所示。

图2 快开门式压力容器端盖啮合部分几何尺寸

在模型内表面作用压力载荷4 MPa，对称面上施加对称约束，筒体下端面加轴向位移约束。加载后模型，如图4所示；求解后应力云图显示，如图5、6所示。从应力云图的结果显示，最大的应力强度位于端盖齿根部位，因此只需取门盖进行力学性能研究即可。

根据几何对称性，取1/6建立端盖有限元模型。采用20节点三维实体单元Solid 186。网格划分中，对齿与上法兰连接处的倒角，上法兰与封头连接处的倒角进行四面体自由网格划分；对封头及上法兰运用六面体体扫略网络划分。网络划分后模型，如图7所示。

图3 网格划分模型

图4 载荷和边界约束条件

图5 结构应力强度分布

图6 啮合齿局部应力强度分布

图7 端盖网格划分模型

在模型的两个纵向截面施加对称边界约束；在齿面上施加Y向的位移约束（根据分析要求，分别对齿面的100%，20%，15%，10%，5%，3%施加约束）；在封头，上法兰内表面施加内压载荷，边界条件，如图8所示。

图8 载荷和边界约束条件（10 0%啮合情况）

2 计算结果与讨论

2.1 应力计算结果

通过Ansys有限元软件求解，可得载荷为0.6 MPa（3%啮合时的极限载荷）时，分别在100%，20%，15%，10%，5%，3%啮合状态下的应力强度分布云图，如图9～14所示。可见，在100%，20%，15%，10%，5%，3%啮合状态下，最大应力强度均位于啮合一侧齿根处，随着啮合比例降低，最大应力强度值呈逐渐增大趋势。

图9 100%啮合时结构应力云图

图10 20%啮合时结构应力云图

图11 15%啮合时结构应力云图

图12 10%啮合时结构应力云图

图13 5%啮合时结构应力云图

图14 3%啮合时结构应力云图

2.2 极限载荷

极限载荷计算采用美国ASME规范中的“二倍弹性斜率”法，即设置载荷步，逐步增加施加于模型内表面的压力载荷，选取最大应变强度的节点，提取不同载荷步下的应变，可以得到最大应变节点的载荷-应变曲线图，100%啮合比例下的载荷-应变曲线图，如图15所示。

图15 100%啮合载荷应变曲线

从图15可以看出，100%啮合状态下，极限载荷5.5 MPa，失效部位为啮合处齿根。依此改变啮合度可得：20%啮合状态下，极限载荷2.2 MPa，失效部位为啮合处齿根；15%啮合状态下，极限载荷1.9 MPa，失效部位为啮合处齿根；10%啮合状态下，极限载荷1.22 MPa，失效部位为啮合处齿根；5%啮合状态下，极限载荷0.72 MPa，失效部位为啮合处齿根；3%啮合状态下，极限载荷0.6 MPa，失效部位为啮合处齿根。从趋势上可以看到，随着齿面啮合比例降低，结构可承受的极限载荷呈下降趋势，且下降速度逐渐加大。

2.3 疲劳寿命

表1 4.0M Pa内压作用下不同啮合状态的疲劳寿命

为考察在正常或接近正常啮合状态下容器的疲劳寿命。依据设计要求，内压载荷取4.0 MPa；在齿面上施加Y向的位移约束（分别对齿面的100%，90%，80%，70%施加约束）。得到在不同啮合状态下的应力。根据计算结果，得到快开门容器（KL273X300）在不同啮合状态下的疲劳寿命，如表1所示。可以看出，在4.0 MPa内压作用下，啮合比例在100%～70%范围变化时，其疲劳寿命呈现明显降低趋势。

[1]韩树新,盛水平,刘延雷，等.快开门式压力容器余压开门爆炸危害研究[J].压力容器,2010,27(2）:50-54.

[2]何承代.探索安全联锁装置快开门式压力容器事故原因与预防对策[J].机械管理开发,2012（2）:114-115.

[3]盛水平，刘延雷，何承代，等.典型快开门式压力容器爆炸失效原因分析[J].化工设备与管道，2010,47(5):15-18.

[4]何承代.一起快开门式压力容器爆炸失效事故分析[J].机械管理开发,2012（3）:9-10.

[5]国家质量监督检验检疫总局.固定式压力容器安全技术监察规程[M].北京:新华出版社,2009.

[6]HAN Shuxin,LIU Yanlei,LI Weizhong etal.Experimental and numerical research on explosion of quick actuating pres⁃sure vessels when opening with residual pressure[J].2012 ASME Pressure Vessels and Piping Conference,2012（3）：15-19.