压力容器蒸压釜的结构力学及疲劳特性分析

杨进,杨在国,薛冬,杜明星

压力容器蒸压釜的结构力学及疲劳特性分析

杨进,杨在国,薛冬,杜明星*

江苏泰康安全环境科技有限公司, 江苏 泰州 225300

本文以蒸压釜作为研究对象，采用Proe软件建立了公称直径2000 mm蒸压釜的三维模型，利用ANSYS Workbench对蒸压釜进行了静力学分析，获得了其应力分布情况，直观地显示出其应力集中部位。基于应力分析的结果，利用Fatigue Tool疲劳模块进行疲劳分析，预测了釜盖法兰疲劳寿命的大小，分析了疲劳寿命、安全系数等云图并获得蒸压釜最易发生疲劳损伤的位置，为其进一步优化提供参考。

蒸压釜; 结构力学; 疲劳特性

蒸压釜是化工行业用于制作新型轻质墙体材料的压力容器装置[1]。从工艺特性的角度分析，蒸压釜经常间歇操作并承受交变载荷，因为其容积大，故而如果出现爆炸事故就会引发相当严重的情况。所以设计人员在设计、制造的过程中一定要考虑周到，严谨参照相应标准、规范实施，以求规避所有安全隐患。

蒸压釜工作时，釜内伴随着升温升压、恒温恒压、降温降压的过程，蒸压加气混凝土管桩只有在一定的温度和压力水平上，并保持蒸养一定的时间，才能具备良好的综合物理性能[2-5]，疲劳破坏是机械零部件或工程结构在受到低于材料强度极限的交变载荷作用下，造成材料破坏的现象[6]。实践表明，疲劳破坏是釜齿开裂的重要原因之一。因此，在其结构设计时务必要考虑其对材料的影响。

1 蒸压釜的静力学分析

1.1 蒸压釜有限元模型

本文以常州某公司的一台齿根出现裂纹（图1）的公称直径2000 mm的蒸压釜为研究对象，通过Proe软件创建蒸压釜的3D模型，使用ANSYS Workbench软件分析其结构的静力学状态以及计算其疲劳寿命，得到蒸压釜应力集中与极易产生疲劳损伤的区域。蒸压釜结构如图2所示。

图1 蒸压釜釜齿侧裂

图2 蒸压釜结构简图

1. 椭圆形封头 Ellipsoidal head 2.釜盖法兰 Cover flange 3.釜体法兰 Autoclave flange 4.密封槽 Seal groove 5.圆筒体 Cylinder

蒸压釜属于中、低压齿啮式快开容器。圆筒体和封头材料选用Q345R，釜盖、釜体法兰材料选用16 MnⅡ，介质为水蒸气。材料性能与设计参数：内径2000 mm；焊接接头系数0.85；腐蚀裕量2 mm；设计寿命8年；设计温度200 ℃；设计压力1.8 MPa；工作压力1.6 MPa。

根据蒸压釜实体大小，通过Proe软件创建和优化其3D模型，导入到Workbench中。设定密度为7850 kg/m3，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。采用solid185单元类型划分网格，网格的节点有617054个，单元有154919个，网格的Skewness（偏度值）平均值为0.21，最大值为0.67，网格质量较好。使用154919，263871网格数量进行仿真获得的模拟结果比较接近，所以选定网格总数154919。建立蒸压釜的有限元模型如图3所示。

图3 蒸压釜有限元模型

图4 蒸压釜载荷示意图

图5 蒸压釜等效应力图

椭圆形封头、法兰内表面、筒体、釜盖法兰下端面上密封槽以内的部分，密封槽内表面承受均匀分布的压力，而广义轴对称结构的齿间隙中截面周向与椭圆形封头顶端径向均没有位移。设置筒体下端面轴向位移为零，使得蒸压釜整体的轴向刚体不发生位移，如图4所示。

1.2 蒸压釜静力学结果分析

蒸压釜静力学计算后的蒸压釜Von Mises应力分布见图5。最大应力分布在釜盖法兰齿牙尖的红色位置，最大值为629.88 MPa，在齿根与齿侧面区域会出现应力集中，最大应力幅值为140.51 MPa。

2 釜盖法兰的疲劳寿命计算

工程中大部分零部件和结构的失效都归结于材料疲劳，造成的破坏与循环加载有关[7]。蒸压釜釜盖、釜体法兰材质是16 MnⅡ锻件，法兰齿的侧立面一般要先经过火焰切割，然后再进行表面机加工制造成型。从蒸压釜制造厂的质检部门了解到，齿侧立面人工火焰切割时，常常会出现表面成型不良和机加工余量不足，甚至出现过量切割造成齿宽小于设计等情况，对于此类情况，一般采取补焊的方法维修。然而，无论是切割过量后的补焊还是火焰切割，如果没有经过退火处理，都会产生淬硬组织，含有较高的残余应力，这将会成为疲劳裂纹的起始点，在长期的循环载荷作用下，最终将形成裂纹或破坏，甚至导致失效。而王[8]等人对大型蒸压釜釜体法兰疲劳分析后得出釜体法兰只要结构上无急剧突变，选材得当，焊接残余应力被合理消除，在通常情况下不会发生疲劳破坏。

ANSYS Workbench中的Fatigue Tool疲劳模块是基于应力—寿命方法专门分析疲劳的工具，综合权衡载荷条件、疲劳使用系数与平均应力等影响因子，加之结合累积损伤理论对结构或零部件进行疲劳计算[9]。

2.1 16MnⅡ的S-N曲线

查表[10]可以得到材料不同存活率下的寿命均值、标准差。这里我们选取95%存活率的S-N曲线作为法兰材料寿命计算的依据。

S-N曲线的最小二乘法的拟合方程为：

lg=a+blg(1)

式中为应力值；b为应力水平下对数疲劳寿命标准差；a为应力水平下对数疲劳寿命均值；为循环加载次数。将a=21.0997，b=-6.6287代入上式，而零件的S-N曲线通过式（1）向下平移K所得。即：

lg=a+blg(K) (2)

其中K为疲劳强度降低系数，K可由公式（3）算出：

其中为疲劳缺口系数，-1为光滑试样对称循环的疲劳极限，-1=287 MPa，-1K为缺口试样对称循环的疲劳极限，-1K=164MPa，查表得表面加工系数=0.88，尺寸影响系数=0.6[11]，算出K=3.14，所以，修正后的S-N曲线（图6）方程为：

lg=21.0997-6.6287g3.14(5)

图6 修正16MnⅡS-N曲线

图7 蒸压釜疲劳寿命图

图8 蒸压釜安全系数图

2.2 蒸压釜的疲劳分析

根据静力学分析的结果对蒸压釜实施疲劳分析。承受恒定振幅载荷作用的法兰在Fatigue Tool中选取zero-based载荷类型，Goodman平均应力修正理论，添加安全系数、寿命等项。

疲劳寿命云图显示了釜盖法兰承受疲劳作用直到失效的循环次数，从图4和疲劳寿命等值线（图7）可以看出，釜盖法兰为高应力低循环疲劳破坏零件。釜盖法兰在工作过程中受到最大应力幅是140.51 MPa，由图7可知，蒸压釜上任意一点在该应力幅值下的循环次数都小于106。

蒸压釜工作一次的cycle time为8 h，一个cycle加载卸载各一次，假定设计使用寿命8年，设备整年不停机，则载荷循环次数为：=2×8×363×3=17520

查JB4732-1995在140.51 MPa的应力幅值下的许用循环次数的曲线图。查图可知，在140.51 MPa下16 MnⅡ材料对应的许用循环次数N>106，所以<N，说明最高应力幅值下的疲劳强度下釜盖法兰疲劳强度仍然满足设计需求。

失效应力与设计应力的比值反应的是材料的安全系数（图8）。安全系数大于1.6735，不小于1.5，设计安全[12]。安全系数最小区域在釜盖法兰齿根与齿尖，与釜盖法兰的最大应力位置一致。

3 结论

利用ANSYS Workbench对蒸压釜进行了静力学分析，得到了工作时的应力分布图，进而基于静力学分析结果，使用疲劳模块对蒸压釜展开了疲劳寿命计算研究。从研究蒸压釜静力学下的应力云图，能够得到蒸压釜的脆弱点位于法兰齿根部与牙尖，符合现状。使用Fatigue Tool疲劳模块对蒸压釜的疲劳寿命实施计算，结论显示蒸压釜为高应力低循环疲劳破坏零件，安全系数大于1.6735，不小于1.5，证明蒸压釜结构满足设计要求。综合蒸压釜寿命、安全系数与静力学分析，得到蒸压釜安全系数最小易发生疲劳损伤的区域在法兰齿根、齿根侧面和齿尖，设计人员在设计时可以在齿根处增加过渡圆角，使齿的结构更加合理，为其结构的优化设计提供了依据。

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The Analysis on Fatigue and Structural Mechanics of the Autoclave

YANG Jin, YANG Zai-guo, XUE Dong, DU Ming-xing*

225300,

Autoclave as the research object, this article uses the Proe software established the 3 d model of autoclave with a nominal diameter of 2000 mm. The statics analysis of autoclave had carried out by using ANSYS Workbench, obtained the stress distribution and intuitively show the stress concentration area. Based on the results of the stress analysis, using the Fatigue Tool, the fatigue life of kettle cover flange was predicted. The most prone to fatigue damage location of autoclave was got after analyzing the cloud of fatigue life and safety coefficient. That provides the reference for the further optimization.

Autoclave; Structural mechanics; fatigue characteristic

TH49

A

1000-2324(2019)05-0825-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.018

2018-09-18

2018-10-26

杨进(1963-),男,本科,高级工程师,主要研究方向为过程装备结构完整性. E-mail:2469933568@qq.com

Author for correspondence. E-mail:dumx248@163.com