探讨如何设计基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器

张建平 胡祥金 江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院鹰潭检测分院

齿啮式快开压力容器具有快速启闭、卸料便利等特点（以下简称“容器”），适用于化工、食品、纺织等工业领域中直径较大场合，容器安全性能直接影响产线运行安全。在容器设计方面，需要完成整体安全性验证，通过建立有限元模型对结构应力展开分析，验证容器结构安全、可靠。因此应掌握容器应力评估方法，为容器设计提供科学指导。

一、齿啮式快开压力容器整体有限元应力分析

从结构组成上来看，容器包含卡箍、筒体、端部法兰、封头等多个部分，依靠法兰齿和封头齿的啮合实现结构连接。实际容器整体结构非轴对称类，但啮合齿沿轴向对称分布，受力和变形可看成是广义轴对称问题。通过整体建模对各工况下的容器结构应力分布状况展开分析，通过截取危险截面实现危险路径定义，确保获得的应力结果符合实际。相较于单元有限元分析，整体建模分析的内压加载状态和对称约束不变，但在啮合力作用下无须对封头设定竖直方向约束。啮合面间存在的摩擦接触可以在法向脱离，在切向出现相对滑移。尽管施加内部正压不会导致法向分离出现，但由于封头法兰和筒体法兰刚性不同，会出现变形量差异，使切向出现相对滑动。将齿间隙接触面当成是研究对象，由于位于法兰连接位置不会产生边缘应力。

通过定义接触问题，并进行边界条件加载，可以使容器齿间接触面发生相对滑动，使上、下法兰和卡箍、楔块等分别接触。为避免整体出现轴向刚体位移，设筒体下端面轴向位移为零。结合容器特点，可以分别施加对称约束、位移约束、载荷等，完成边界条件计算。

将齿面接触看成是无间隙，受负载时因接触法兰变形不一致将导致接触面积变小，出现嵌入和相对滑动。在应力分类方面，利用线处理法对危险截面应力分量进行均匀化、线性化处理，获得沿应力分布线的薄膜应力、弯曲应力等数值。结合容器失效受到的不同力的大小，将薄膜应力划分为一次总体薄膜应力Pm和局部应力PL，弯曲应力划分为一次应力Pb和二次应力Q，另外包含峰值应力F，要求各应力强度达到如表1所示的限制标准[1]。要求各类应力强度达到许用极限要求，实际在分析时需要考虑温度等因素给材料性能带来的影响，因此要求应力强度值不超疲劳曲线峰值幅度。

表1 各应力强度限制标准

二、基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计方法

（一）设计参数

在容器设计方面，内直径为2500mm，工作温度达225℃，压力为5MPa，设计压力为5.5MPa，水试验压力达6.9MPa。封头和筒体采用Q345材质，楔块为45#钢，法兰和卡箍为20MnMoIII材质，各材料性能参数如表2所示。

表2 材料性能参数

（二）应力分析

如图1所示，通过对施加容器实际工况载荷，能够确定应力分布情况，应力最大位置位于法兰齿面和楔块间。选取危险截面进行应力评定，发现齿面与楔块接触位置应力达到466MPa，上法兰最大达368MPa，下法兰最大251MPa，上楔块最大218MPa，下楔块最大346MPa，卡箍最大423MPa，筒体最大198MPa，封头最大为184MPa。根据分析结果可知，齿面和楔块位置成为最可能引发容器失效的部位。

针对高应力区域，选取多个截面进行应力分析，需要将不连续或应力集中界面当成是强度评定依据。通过选取9条危险路径展开分析，结果如表3所示，说明各部分应力强度合格。对容器疲劳问题展开分析可知，循环加载荷载的情况下，容易出现应力集中问题。按照累计损伤准则进行0～5MPa载荷循环加载，次数达到1000次，并循环开展30次水压试验。期间，载荷最低为0MPa，温度为0℃，最高为5MPa，温度为200℃[2]。通过反复分析，确认累积系数值为0.385，比1小，因此容器不会出现疲劳失效情况，能够验证结构设计方案的有效性。在整体有限元应力分析过程中，可以发现相同工况下楔块、封头等位置的应力强度较小，能够通过适当减小材料厚度节约成本，同时保证结构应力满足要求，充分展现设计方案的实用性和经济性。

图1 工作载荷下容器应力分布图

表3 危险路径评定结果

三、结论

建立整体有限元分析模型，通过对不同类型应力进行组合完成容器应力评估，要求做好边界条件处理，在加载历程中利用加载增量情况进行模拟分析，通过将接触单元问题导入中模型中确认容器是否存在应力超限部位。根据分析结果确认容器是否会出现疲劳失效问题，能够做到合理进行容器结构设计，为容器安全、可靠运行提供保障。