近年来,石油化工和各类工业中,压力容器承受循环载荷的情况日益增多。例如频繁的开、停工以及压力波动、温度变化等,使得压力容器中应力随时间呈周期性(或无规则)变化。这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故增加。而压力容器的常规设计都是按照受静载荷的条件来考虑的,即认为容器中所受的应力是不随时间而变化的。通常只考虑单一的最大载荷,按一次施加的静力载荷处理,不考虑交变载荷,也不区分短期载荷和永久载荷,不涉及容器的疲劳寿命,不考虑热应力。然而,压力容器实际运行中所承受的载荷不但有机械载荷,往往还有热载荷,同时这些载荷还可能有较大的波动。疲劳分析设计方法补充了容器在交变载荷作用下对局部高应力区应力水平的评定,保证容器不致在有效的使用期内发生疲劳失效。
电加热器外壳设备结构并不复杂,但是该设备在整个运行工作期间,因工艺要求设备遇频繁的停开车,频繁的间歇操作及开、停车势必造成设备工作压力、工作温度及各种载荷的变化,在交变载荷的作用下设备外壳的受压部件中结构不连续部位以及开孔接管等区域内会产生很高的局部峰值应力,该应力是造成设备发生疲劳断裂的主要原因。所以在完成常规设计之外,有必要按压力容器分析设计规范中规定的以疲劳分析为基础的设计方法进行疲劳分析,以保证加热器外壳的承压部件在其寿命期限内不发生疲劳破坏。电加热器外壳的基本结构型式见图1.1。
1 载荷工况
针对本电加热器外壳的疲劳校核主要考察设备使用寿命内在操作载荷下的疲劳失效。
疲劳载荷条件:
(1)温度变化范围:36摄氏度(室温)至204摄氏度;压力变化范围:0MPa至2.07MPa。
(2)以第一个循环周期为例,交变温度与压力载荷的变化规律见表2.1,在时间t=20,100,120分钟为交变操作载荷的峰值拐点。设计循环次数25000
2 分析设计
(1)根据结构、材料、载荷特点,合理简化结构,建立力学模型。
(2)选用ANSYS软件中相应的单元,并对材料赋予相应的材料特性参数,形成有限元模型。
(3)在有限元基础上施加载荷和边界约束条件,对模型进行分析计算。
(4)根据应力分析的计算结果进行疲劳分析
2.1 几何模型与约束载荷
根据设备的结构特点,考虑到设备与支座的连接,将计算模型视为平面对称结构,故将设备结构模型简化成二分之一的计算模型。有限元模型(含保温层)如图3.1。
以t=100分钟至120分钟的交变工况为例,设备内部温度从204℃降至36℃,操作压力由0升至2.07 MPa加载情况见图3.2。
由应力强度分布云图可知,最大应力强度值为353.74MPa(图3.3)。最大应力强度值位于设备法兰颈部过度段,其中由温度差引起的热应力属于二次应力。
3 疲劳分析
从有限元应力分析结果可知,在较大的温差下,加热器的设备法兰密封面由于较大的压力差和温度差,呈现出较大的应力水平;端盖与筒体连接处产生较大的热膨胀差,也导致产生较大的热应力,而连续的热循环可引起塑性疲劳,它属于二次应力,在疲劳分析中需加以考虑。从计算结果来看,计算模型满足应力分析设计规范中所要求的四项应力强度校核条件:
(1)总体一次薄膜应力强度Pm小于等于k Sm
(2)局部薄膜应力强度PL小于等于1.5k Sm
(3)一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力强度PL+Pb小于等于1.5k Sm
(4)一次加二次应力强度PL+Pb+Q小于等于3k Sm
仅需要按照第(5)项校核条件:峰值应力强度PL+Pb+Q+F小于等于Sa,进行疲劳强度校核。
3.1 符号定义
对有限元软件计算得到三条路径的计算结果进行疲劳校核:
S——所考虑点的应力强度;
Salt——交变应力强度;
E——相应设计疲劳曲线规定的弹性模量,E=200×103MPa;
Et——所选材料在操作温度下的弹性模量,Et=196×103MPa;
N——允许循环次数
3.2 求解步骤
(1)根据路径分析结果得到的主应力值σ1,σ1,σ1
(2)计算主应力差S12(t)=σ1(t)-σ2(t),S23(t)=σ2(t)-σ3(t),S31(t)=σ3(t)-σ1(t)
(3)确定整个应力循环中主应力差的最大波动范围
(5)选择最大的主应力差交变应力强度幅Salt=max{Salt12,Salt23,Salt31}
(7)由S’alt查取相应的设计疲劳曲线(根据JB4732-95)求取允许循环次数N
4 结语
(1)通过有限元分析计算压力容器应力分布能够有效直观的呈现出容器应力分布状态。通过有限元分析计算结果表明,端盖与筒体的连接部位,法兰锥体与直边段的连接部位,筒体开孔部位均会因为结构的不连续出现较大的应力集中,在交变载荷的作用下,这些位置易产生疲劳破坏。
(2)通过有限元应力分析的方法,计算不同工况条件下设备的应力水平,从而能更快捷的模拟考察设备在遭遇频繁温差、压力差变化的工况条件下,应力水平的变化。
(3)选择极限载荷工况点,考察加热器在相应工况下的应力分布及变化情况,得出温度载荷产生的应力作为二次应力对加热器的整体应力水平有较大影响。而这种影响在疲劳分析中应加以考虑,以保证设备强度的安全。在交变载荷及温度差的影响下,常规的设计计算不能作为设计的唯一计算方法,通过分析设计及疲劳分析能够有效的保证设备的强度安全要求。
摘要：石油化工行业内,许多压力容器随工艺要求承受交变载荷,设计中考虑交变载荷的影响十分重要。本文以电加热器外壳结构中有代表性的结构部件为例,通过有限元分析计算的方法选择合理安全的结构,并采用疲劳分析的方法完成了对主要承压部件强度的校核计算,以保证其不致在有效的使用期内发生疲劳失效。
关键词：有限元,应力分析,疲劳校核,交变载荷
参考文献
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