一个带快开结构的设备疲劳分析实例

 

设备简图    

 

设备校核计算条件及载荷分析     

加卸载循环压力： 0~0.32MPa         

设计压力：0.4MPa     

工作温度（进/出口）：135℃             

设计温度：151 ℃

载荷循环次数（N）：14600次

载荷组合系数：K=1.0

板材选用：S30408 [GB24511-2013]  

锻件选用：S30408 [NB/T47010-2010]

接管选用：S30408 [GB/T14976-2012]

设备腐蚀裕量为0mm，钢板负偏差≤0.3 mm。 

材料特性参数表

本设备只承受一种循环（脉动）操作载荷。根据 JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中第3.10.2 条判断，该设备所承受的压力波动范围超过设计压力20%的工作压力循环的设计次数超过1000次，不满3.10.2.1规定的可免作疲劳分析的条件，因此，对本设备须作疲劳分析。本设备的分析设计包括两种载荷工况下的强度计算：

1） 在设计压力下的强度计算。

2） 在加卸载循环压力（0 ~ 0.32MPa）下的疲劳分析计算。 

 

有限元模型的建立     

本文只列出最重要的快开结构局部有限元模型的情况：锁圈+封头侧法兰+筒体侧法兰+摩擦副+部分筒体+部分封头，建立108°的三维结构静力分析型。该模型的结构计算尺寸和20节点三维实体单元（SOLID186）有限元模型如下图所示。

 

模型位移和载荷边界条件     

模型的位移和载荷约束边界条件：筒体内表面、法兰内表面和封头内表面承受内压（设计压力Pc=0.4MPa）的作用；筒体左横截面上作用有拉应力（P=-8.6603MPa）。在该模型的两个纵截面上施加对称面位移约束，在封头侧横截面上施加对称面位移约束。两个法兰之间设置接触对；锁圈与筒体侧法兰设计接触对；锁圈与楔块接触对进行MPC设置；楔块接触对与封头侧法兰设计接触对，过盈量为0.02mm。如下图所示。

 

计算结果分析     

经计算得到的快开结构局部模型应力强度分布云图（如下图1所示）：应力强度最大值发生在楔块接触对上，最大值为655.544MPa，楔块接触对为可更换件，后续应力评定时，对此件不做评判；锁圈上应力最大值发生在锁圈凸台与锁圈本体交界处（如下图2所示）：最大值为416.249MPa；封头侧法兰应力最大值发生在法兰凸台与法兰本体轴向交界处（如下图3所示）：最大值为235.261MPa；筒体侧法兰应力最大值发生在法兰凸台与法兰本体交界处（如下图4所示），最大值为230.966MPa。 

图1 快开结构局部模型应力分布云图

图2 锁圈应力分布云图

图3 封头侧法兰应力分布云图

图4 筒体侧法兰应力分布云图

 

强度和疲劳评定     

强度部分的评定就不再赘述了，疲劳部分的评定：整个设备在设计压力Pc=0.4MPa下的应力强度最大值发生在楔块接触对上，楔块接触对为可更换件，故疲劳强度分析不对此部件进行评定；其次应力强度最大值发生在锁圈凸台与锁圈本体交界处，取该点在下列载荷步工况下的应力强度值进行疲劳分析，只要该点交变应力幅小于本设备要求的工作循环次数对应于JB4732-1995图C-2中的应力幅值，本设备即满足疲劳强度要求。

载荷步由锁圈对法兰施加的预紧力和内压力两部分构成，预紧力以卡紧时的过盈量经验值计算，压力载荷为0~0.32 MPa之间循环：

内压 P=0.32MPa

载荷循环次数（N） 14600 次

经计算，在工作压力作用下应力最大值发生在锁圈凸台与锁圈本体交界处，最大应力强度值为333.146MPa。故Salt’=333.146/2=166.573MPa

在疲劳分析计算中，考虑到设计疲劳曲线图中给定的材料弹性模量与所用材料弹性模量的不同，按下式对求得的交变应力幅Salt值进行修正。

Salt’’=Salt’×E/E(t)= 166.573×2e5/1.87e5=178.153MPa

工作循环次数对应于JB4732-1995 图C- 2中的应力幅值约为Salt =408MPa

Salt’’< Salt

结论： 疲劳校核合格。