基于有限元的齿啮式快开容器上法兰结构优化

柴 鑫，龚 斌，毛 勇

（1. 沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142； 2. 全球物流（苏州）有限公司，江苏 苏州 215324）

工艺与装备

基于有限元的齿啮式快开容器上法兰结构优化

柴 鑫1，龚 斌1，毛 勇2

（1. 沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142； 2. 全球物流（苏州）有限公司，江苏 苏州 215324）

采用 ANSYS 软件对某齿啮式快开容器的罐盖法兰进行了有限元模拟，并进行了应力强度评定，结果表明齿的上表面齿根处及封头与法兰连接处为高应力区域。分析了啮合齿宽、啮合齿厚、法兰径向宽度、法兰轴向高度、封头厚度及封头与法兰连接处过渡圆半径等结构参数对罐盖法兰的应力特性影响，并依据影响结果对罐盖法兰结构尺寸进行了优化，优化后罐盖法兰应力满足应力强度要求，为罐盖法兰的设计提供了参考和依据。

齿啮式；压力容器；有限元；强度评定

齿啮式快开压力容器在化工、石油、电力、食品和航天等领域都有广泛应用，如化工生产中的硫化罐、浸漆罐、食品生产中的膨化釜等压力容器都采用齿啮式快开结构[1]。

齿啮式快开结构是在沿快开装置的圆周方向加工出均布的齿，通过旋转顶盖法兰，从而实现顶盖法兰齿与卡箍齿之间的啮合和错开，达到快速启闭的目的[2]。由于齿啮式快开装置操作简单方便，因此应用相当广泛。但齿啮式快开压力容器需要经常启闭，升压降压及升温降温操作频繁，这对齿啮式快开压力容器的强度和疲劳有较高的要求，加上在设计、选材、制造和使用方面尚不完善等原因，关于此类压力容器的事故多有发生。据文献[3]介绍，我国这类设备的失效或爆炸事故的发生率约占国内压力容器事故总数的三分之一。目前我国齿啮式快开机构的设计计算主要依据 HG20582《钢制化工容器强度计算规定》中“齿啮式卡箍连接设计计算”或参照国内外的类似相关计算规定，如日本的工业标准 JIS B8284-1993《压力容器快速开关盖装置》等进行，还没有齿啮式快开装置的设计计算国家标准。

鉴于齿啮式快开压力容器发展的状况，积极进行齿啮式快开压力容器的的研究是非常必要的。近些年来，在数值分析方法与计算机技术的支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这一复杂的工程计算问题提供了极为有效的途径[4]。

本文采用 ANSYS 软件对某单位设计的一台浸漆罐中采用的带碟形封头齿啮式快开结构中罐盖法兰进行有限元应力分析和强度评定，并依据有限元计算结果分析了啮合齿宽、啮合齿厚、法兰径向宽度、法兰轴向高度、封头厚度及封头与法兰连接处过渡圆半径等结构参数对罐盖法兰的应力特性影响，并在此基础上对罐盖法兰结构尺寸进行了优化，使优化后罐盖法兰应力满足应力强度要求，为罐盖法兰的设计提供了参考和依据。

1 浸漆罐快开结构

浸漆罐基本设计参数为：公称直径DN= 6 400 mm，设计压力 P=0.6 MPa，设计温度 t=80 ℃，罐盖法兰及卡箍材质为 16MnⅡ，碟形封头及筒体材 质 为 Q345R， 疲 劳 次 数 按 104次 考 虑 。 由GB150-2011《压力容器》查得在设计温度下 16MnⅡ的许用应力为 178 MPa，Q345R 的许用应力为 189 MPa，由 JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》查得 16MnⅡ在疲劳次数为 104次时的许用应力幅为 263 MPa。

该浸漆罐快开装置的结构主要由带碟形封头的罐盖法兰、卡箍、罐体法兰、筒体、密封圈、开盖起吊装置和安全联锁装置等组成，在罐盖法兰与卡箍上沿圆周方向加工有均匀分布且可相互配合的72个齿。罐盖法兰、卡箍、罐体法兰的啮合结构如图1所示。

图 1 浸漆罐的齿啮式快开结构Fig.1 The tooth-locked quick open-closure structure of the impregnating vessel

2 有限元分析模型

2.1 几何模型

针对罐盖法兰整个结构中齿的间断分布，可以把其受力和变形归结为一个广义轴对称问题，采用三维有限元方法进行计算。由于此带碟形封头的齿啮式快开装置的 72 个齿沿圆周均匀分布，因此可按周期对称问题处理。为节省计算工作量，取 1/72 周期为基本扇区对罐盖法兰进行有限元计算，采用SOLID92 实体单元进行三维建模，实体模型包括一个整齿及两个半齿谷。

2.2 网格划分

对于碟形封头和罐盖法兰采用 10 节点四面体单元 SOLID92 划分网格。在进行网格划分时，利用ANSYS 提供的网格划分工具对碟形封头和罐盖法兰进行智能网格划分，Smartsize 设定为 4。整个罐盖法兰结构节点数为 11 955。进行网格划分后的模型如图2所示。

2.3 边界条件

考虑到罐盖法兰齿的上表面受到卡箍的约束，而下表面的外侧边界线受到罐体法兰的约束，故在此二处施加轴向约束，位移为 0；按广义轴对称问题在封头部分的对称面上施加对称约束；在碟形封头和罐盖法兰内壁面上施加内压作用，大小为设计压力。

图 2 网格单元与边界条件Fig.2 Mesh and boundary conditions

3 有限元计算结果分析及强度评定

3.1 有限元计算结果分析

齿啮式快开装置的罐盖法兰部分在设计压力作用下整体应力强度分布云图如图3所示。从图中可以看出：齿的上表面为高应力区域，应力强度最大点出现在齿的上表面齿根处，达到 635.7 MPa。分析是由于齿的上表面受挤压，导致齿的上表面的应力强度比下表面的更大，应力强度沿齿厚方向由下至上呈逐渐增大趋势。碟形封头与法兰连接处的也表现出较高的应力强度，分析是由于此处存在结构不连续，为满足封头与法兰的变形协调而产生较大的边缘应力。而对于碟形封头，高应力出现在球面体和过渡环壳连接处，这是由于碟形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，存在着较大边缘应力，该边缘应力与薄膜应力叠加，使得该部位应力高于碟形封头的其他部位[5]。

图 3 罐盖法兰整体应力强度分布图Fig.3 Stress intensity distribution of the tank cover

3.2 强度评定

文献［6］将应力按性质、影响范围及分布状况的不同将其分为一次应力、二次应力和峰值应力，并对于不同性质的应力和应力组合给予不同的限制条件。有限元计算中应力强度的评定方法可分为点处理法、线处理法和面处理法[7]，根据本文所计算的罐盖法兰结构特点，采用线处理法对其进行强度评定，即将结构各计算部位应力按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，将 Pm、PL、Pb、Q 和 F 从总的应力中分离出来，然后对不同类型的应力和应力组合分别进行评定。

根据应力处理线的划定原则和罐盖法兰应力强度分布，对罐盖法兰划出5条应力处理线，如图4所示：碟形封头中心为应力处理线 1-1，碟形封头的球面体与过渡环壳连接处为应力处理线 2-2，碟形封头与上法兰连接处为应力处理线 3-3，在齿根处分别沿齿厚和齿宽方向划出应力处理线 4-4 和应力处理线 5-5。从这 5 个不同部位进行应力评定，应力评定果如表1所示。由应力评定结果可知，应力评定线 1-4 均满足强度要求，但评定线 5 不满足应力强度校核条件，需对罐盖法兰结构进行优化。

图 4 罐盖法兰应力处理线图Fig.4 Stress distribution lines of the tank cover

4 罐盖法兰结构优化与分析

考虑到罐盖法兰的高应力区域出现在齿的上表面及碟形封头与法兰连接处，而碟形封头上的高应力主要由碟形封头尺寸控制，故本文仅通过有限元模拟分析啮合齿宽、啮合齿厚、封头厚度、封头与法兰连接处过渡圆半径、法兰径向宽度、法兰轴向高度等结构参数对于罐盖法兰应力水平的影响。模拟以设计原始尺寸为基准，每次调整一个结构参数，调整结构参数的加大步长为 2 mm。结构参数对齿根处最大应力的影响如图5所示，曲线2和4的应力值随着结构参数的增大在一定范围内波动，表明通过增加啮合齿厚及法兰齿的轴向尺寸对最大应力值的影响不明显；曲线3表明增加法兰径向宽度可以导致最大应力值增大；曲线1表明通过增加啮合齿宽度可以显著降低最大应力值。通过应力评定可知，在原设计基础上将啮合齿宽度增加8 mm，即可使评定线5满足强度要求，这一优化方案最为经济可行。

表 1 罐盖法兰的强度校核Table 1 Stress check for the tank cover

图 5 齿根处最大应力随结构参数增加变化图Fig.5 The maximum stress variation of the tooth-root with the increase of structural parameters

图 6 封头与法兰连接处最大应力随结构参数增加变化图Fig.6 The maximum stress variation of the joint of butterfly head and flange with the increase of structural parameters

封头与法兰连接处的最大应力随结构参数增加而变化的结果如图6所示，表明通过增加啮合齿宽、封头厚度和连接处过渡圆半径均可降低连接处应力值，其中改变封头厚度对连接处应力值大小影响效果尤为明显，改变啮合齿宽与过渡圆角半径对连接处应力值大小影响效果相近。增大法兰宽度则导致连接处最大应力增大。

5 小 结

采用 ANSYS 软件对某单位设计的一台齿啮式快开容器罐盖法兰进行了有限元模拟，结果表明齿的上表面齿根处及封头与法兰连接处为高应力区域，并通过应力强度评定表明齿根处应力不满足应力强度校核条件。通过有限元模拟分析了啮合齿宽、啮合齿厚、法兰径向宽度、法兰轴向高度、封头厚度及封头与法兰连接处过渡圆半径等结构参数对罐盖法兰的应力特性影响，结果表明：增加啮合齿宽可显著降低齿根处最大应力；通过增加啮合齿宽、封头厚度和连接处过渡圆半径均可降低连接处应力值，其中改变封头厚度对连接处应力值影响最为明显。并依据影响结果对罐盖法兰结构尺寸进行了优化，使优化后罐盖法兰应力满足应力强度要求。

［ 1］ 尹 华 杰,赵 风 娟.齿 啮 式 快 开 关 盖 装 置 的 研 究 进 展 [J]. 河 北 化工,2008,31(2):4-7.

［2］杨刚,经树栋.齿啮式快开压力容器的接触分析[J].化工设备与管道,2006,43(3):19-23.

［3］ 胡兆吉,黄克敏,刘兴林.在用快开式压力容器的失效事故分析及其预防对策[J].化工装备技术,2000,21(6):15-18.

［4］杜四宏,袁振伟，等.基于 Pro/E 和 Ansys 的压力容器快开门法兰的有限元分析[J].化学工程与装备,2008(1):6-8.

［5］郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001:128.

［6］全国压力容器标准化技术委员会.JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》[S].北京:中国标准出版社,1995:11.

［7］贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京:机械工业出版社,1995:26.

Structural Optimization of Tooth-Locked Quick Open-Closure Vessel Upper Flange Based on Finite Element

CHAI Xin1，GONG Bin1，MAO Yong2
(1. Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China；2. Schenker Logistics Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215324, China)

The ANSYS software was applied in the finite simulation of tank cover flange of a tooth-locked quick open-closure vessel. And stress strength assessments were carried out. The results showed that the tooth-root of tooth upper surface and joint of head and flange were high stress areas. The effects of structural parameters (the width of tooth, the thickness of tooth, the radial width of flange, the axial height, the thickness of head, the joint of head and flange) on the carrying load character of the tank cover flange were analyzed. The structural size optimization of the tank cover was carried out according to the effect results. The stress value of the tank cover could satisfy strength requirement after the optimization. The paper could offer the reference and basis for design of the tank cover.

Tooth-locked quick open-closure; Pressure vessel; Finite element analysis; Strength assessment

TQ 050.5

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1205-03

沈阳市科技攻关专项（F12-188-900）

2013-12-16

柴鑫（1987-），男，辽宁开原人，硕士研究生，2014 年毕业于沈阳化工大学化工过程机械专业，研究方向：压力容器安全性能的研究。E-mail：chaixiaowangzi@163.com。