过滤器出水挡板的失效分析

李洪波，曲瑞波，徐少可，张 辉，侯宗宗

(洛阳船舶材料研究所，中国 洛阳 471000)

0 引言

压载水是保证船舶航行安全的重要措施，但压载水的抽取与排放，势必因携带大量微生物，而对环境造成污染。因此，国际海事组织大会通过了《船舶压载水及其沉积物管理和控制的国际公约》[1]。该公约的制订意味着国际航运船舶，必须安装压载水处理系统，同时达到公约要求的排放标准[2]，才能在所到港口国停泊。因此如何保证压载水处理系统中，各配套设备的正常稳定运行，已成为众多配套设备厂家的当务之急。

过滤器为压载水处理系统中的关键设备之一，在压载水处理过程中，过滤器设备中的组装件—出水挡板发生了开裂失效现象，如图1所示。由于出水挡板的开裂失效，导致了整个压载水处理系统无法正常运行，迫使航运船舶无法正常在所到港口国停靠，无疑给船东带来了巨大的经济利益损失。为避免此类问题的出现，保证压载水处理系统稳定、可靠地运行，迫切需要对过滤器设备中的出水挡板进行失效分析研究。本文采用有限元分析与试验相结合的方法，对出水挡板的失效，进行分析研究并提出了可行的优化改进方案。通过改进，成功解决了出水挡板的失效问题。

1 原因分析

1.1 受力分析

压载水过滤器中的出水挡板位于过滤腔体与反冲洗腔体之间，将待过滤的海水与反冲洗后含有杂质的污水分离隔开。在过滤器运行过程中，需要过滤的海水经进水口进入过滤器，经内置于过滤器内部滤筒的过滤，过滤后的海水再经出水口流出，过滤时海水中悬浮的杂质在滤筒的内表面聚积。随着过滤的进行，聚积在滤筒内表面的杂质逐渐增多并形成滤饼，造成滤筒内外的压力差。当滤筒内外的压力差，达到预先设定的压差值时，过滤器启动自动反冲洗功能，开始自动反冲洗。反冲洗过程中，过滤器内的吸污管通过上下往复旋转运动，将聚积在滤筒内侧的杂质污物清洗干净，实现在线连续自动反冲洗的功能。过滤器的结构简图，如图2所示。

压载水过滤器运行过程中，出水挡板既受到过滤腔体内部待过滤海水的压力，又受到自动反冲洗过程中，吸污管上下往复运动的摩擦力，受力情况较为复杂。出水挡板在过滤器的正常运行过程中，发生开裂失效，足以说明出水挡板的结构强度不能满足实际工况的需求。需要对其进行强度校核或有限元仿真分析。

1.2 材料分析

由于工程塑料具有质量轻、力学性能良好的特点，工程塑料已在工程设计中，可替代金属作某些机械构件或其他特殊用途的材料。常用的工程塑料有聚酰胺6(尼龙)、聚甲醛、ABS、酚醛树脂等[3]。

ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的三元共聚物，具有优异的抗冲击性能和耐低温性能、表面光泽性好、易加工成型、尺寸稳定等特点，是一种用途广泛的热塑性工程塑料。ABS的拉伸强度一般在35～50MPa，拉伸强度受温度影响较大，随温度升高而明显下降。拉伸过程中产生屈服点，表现一定的韧性[4-5]。

为便于过滤器的安装与维护，实现装配零件的轻量化需求，出水挡板的材料在设计时选择了ABS塑料。过滤器运行过程中，由ABS材质制成的出水挡板，发生了开裂失效现象。经初步分析，应是出水挡板在实际工况运行过程中，所承受的应力超过了其弹性极限，ABS塑料中的橡胶粒子为分散应力集中点，在橡胶粒子界面上出现微裂纹，发生白化，同时吸收应力。随着应力的逐渐增大，微裂纹会在应力集中点形成裂纹，最终导致开裂失效。

1.3 有限元仿真分析

针对出水挡板的失效问题，在三维建模软件Pro/E中，建立了出水挡板的三维模型，再将所建模型保存为stp文件格式，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench18.0中。

在有限元分析软件中，对导入的三维模型进行前处理工作，完成单元网格大小、网格类型的设置，进行网格划分，生成有限元模型。再根据出水挡板的实际运行工况，对出水挡板施加载荷及约束等边界条件，并进行求解。

通过仿真求解，得到出水挡板的应力分布图及位移变形图，如图3、图4所示。

从应力分布图中可以看出，出水挡板的最大应力，恰好出现在出水挡板中部，用于固定轴套的螺栓孔处，与出水挡板实际发生断裂失效时的趋势较为吻合。仿真分析计算所得到的最大等效应力值达到了58.559MPa，局部区域的应力值已明显超过了材料的极限屈服强度值50MPa；从位移变形图中可以看出，出水挡板中部的螺栓孔位置，完全处于位移变形的最大区域，在该区域螺栓孔的边缘处易于形成应力集中现象，造成潜在的微裂纹产生。

2 优化改进

通过上述分析，决定对出水挡板的结构及材料进行优化改进。具体措施如下：

结构方面：调整出水挡板中部螺栓孔的位置，使其远离位移变形的最大区域，同时在位移变形的最大区域，增加盖板进行结构加强。

依据改进方案，再次对改进后的出水挡板进行有限元仿真分析，得到改进后出水挡板的应力分布图，如图5所示。从改进后出水挡板的应力分布图中可以看出，此时应力最大值为37.838MPa。改进后出水挡板所承受的最大应力明显减小，改进效果较为显著。

材料方面：采用其他材质的工程塑料进行替换，依据工程塑料的力学性能及相关参考文献[6-11]，选取聚酰胺6、聚甲醛(共聚)和酚醛树脂三种材质，作为出水挡板的预制材料。对预制的出水挡板进行对比试验，选择综合性能较好的材料，作为出水挡板的最终确定用材料。预选的三种工程塑料的力学性能参数，如表1所示。

表1 聚酰胺6、聚甲醛及酚醛树脂的力学性能

3 水压试验

水压试验装置由压载水过滤器、4DSY-165/6.3型打压泵、压力传感器和压力表等设备组成。在水压加载前，为确保检测数据的准确性，需将过滤器壳体内部的气体，通过排气阀排空。加载时，压力从0.2MPa开始，每次压力递增0.1MPa，每次保压10min，观察并记录压力及出水挡板的变化情况。

试验结果及分析：

1)由聚酰胺6材料预制的出水挡板，当水压打至0.7MPa时，出水挡板出现渗漏现象；当压力打到1.3MPa时，出水挡板发生破裂，如图6所示。

2)由聚甲醛(共聚)材料预制的出水挡板，压力逐步升至1.5MPa时，未出现漏水、破裂现象，后经反复多次验证，均未发生异常现象，如图7所示。

3)由酚醛树脂材料预制的出水挡板，当压力打至0.8MPa时，加强盖板法兰边缘出现裂纹，并发生漏水现象，如图8所示。

根据水压试验所得到的数据，可以绘出三种预制材料的出水挡板，在打压试验时的耐压对比曲线，如图9所示。通过试验的结果可知，由酚醛树脂制成的出水挡板发生开裂，这与酚醛树脂属脆性材料，弯曲性能差，易被折断，抗冲击强度较低的特性有很大关系。聚酰胺6材料的材质韧性差，存在缺口冲击强度低、缺口敏感的缺点，由该材料制成的出水挡板，在打压试验过程中发生破裂现象，也与该材料的本质特性有关。采用聚甲醛材料制成的出水挡板，经过多次反复试验，均未出现漏水、开裂现象，综合性能较好，决定选用该材质作为出水挡板的替代材料。

4 结语

1)本文从压载水过滤器中出水挡板的开裂失效问题出发，采用有限元分析的方法，对出水挡板的结构进行了分析。通过分析得出，出水挡板中用于固定轴套的螺栓孔位置设计不合理，易于形成应力集中，造成出水挡板的开裂。

2)工程塑料的选用必须依据其本质特性，在满足结构使用性能的前提下，结合试验进行合理选择。

3)通过对出水挡板的结构及材料进行改进，成功解决了出水挡板的失效问题，同时为过滤器的稳定、可靠运行提供了必要保障。