疲劳设备的安全设计及有限元分析

刘立凯，赵文明

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳阳 414007

疲劳设备的安全设计及有限元分析

刘立凯，赵文明

湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳阳 414007

本文采用ANSYS Workbench分析软件，对工艺气储罐载荷分析、建模、应力计算及疲劳分析评定等，重点阐述了有限元分析的整个过程；通过应力产生原因及消除机理的分析，简要叙述了疲劳设备结构设计上需注意的问题。

载荷分析；疲劳曲线；疲劳分析；安全设计

在压力容器的设计过程中主要只考虑静载荷，实际上，压力容器在交变载荷下运行是常有的，根据20世纪80年代的有关统计，压力容器与管道的失效事故中疲劳失效约占40%左右[1]。因此，对于有交变载荷设备，应进行疲劳分析，以保证承受交变载荷的化工设备在使用寿命周期内不产生疲劳破坏。

工艺气储罐在使用过程中为定期装料、卸料，所以操作压力为周期循环。本文以该设备为设计对象，按JB 4732-1995（2005年确认版）《钢制压力容器-分析设计标准》对设备进行疲劳分析，用ANSYS Workbench进行建模、应力计算，而后进行疲劳强度校核。

1 工艺气储罐主要设计数据及载荷

1.1主要设计数据（表1）

工艺气储罐公称直径为DN1200mm、筒体长度为2 500mm、上封头为标准椭圆封头、下封头为60°折边锥形封头，上封头N2接管承受有200 000N·mm的弯矩。

表1 设备操作参数

工作压力（MPa）0～0.8工作温度（℃）225物料名称工艺气体主体材质Q245R腐蚀裕量1.5循环次数共250 000次

1.2载荷分析

根据本案的实际情况，需要考虑以下3种主要载荷：

1）跟主要设计参数，如压力、温度等相关的均匀分布载荷。

2）作用于设备局部区域的载荷，比如N2接管承受的弯矩。

3）设备开、停车次数的影响，操作波动的幅度和周期的影响等。

2 应力分析

本文采用ANSYS Workbench进行三维建模及应力计算。

2.1建模

本案例涉及到开孔补强及疲劳分析，且部分接管有接管载荷，应选择3D实体模型。为节约计算，将整台设备分为三部分进行计算，三维建模将其分为三段模型。

2.2模型网格划分

在Engineering Data里面设置好各个部件材料的属性置好后，再对三段模型划分网格，本设备采用Sweep网格划分。

2.3对模型施加边界条件

1）对称面施加对称约束（workbench中采用Symmetry自动施加对称约束）。

2）位移边界条件：约束筒体端面处所有节点的周向和轴向自由度；在筒体的端面中心都添加Cylindrical Support，并设置轴向为Fixed，切向及径向为Free。

2.4求解及计算结果

在添加约束完成后，进行求解运算。其计算应力分布云图如图1所示。

图1　工艺气储罐应力云图

2.5有限元精度评估

取上部筒体远离接管的一处做路径（PATH）进行线性化处理，计算结果中一次总体薄膜应力Pm＝3.564MPa.根据JB4732中公式可以得出：S＝53.524MPa，从而Pm/S=53.524/53.564=0.999，故有限元计算结果与公式计算结果相吻合，计算精度满足工程设计要求。

3 疲劳分析

疲劳强度是在操作工况（Pw＝0～0.8MPa）下进行评定的。首先求出操作温度下，各个部件中最大的应力幅值（用最高工作压力0.8MPa工况的应力减去最低工作压力0MPa工况的应力；应力范围的一半，即为应力强度幅值），然后按进行修正，得到修正后的应力幅值。用修正后的应力幅值，查JB4732图C-2疲劳曲线，如果该值小于1，则疲劳分析通过；如果不满足，修改结构，重新计算，直到满足要求为止。

3.1疲劳分析部位的确定

由计算应力云图可知，最大应力点即为人孔接管与筒体的焊接根部。且整台设备各点操作状态相同，故选择该点进行疲劳分析。

3.2疲劳分析评定

通过图1可知，整台设备中最大应力幅Salt＝186.06/2＝93.03MPa。

按JB4732中节C2.2计算

查图C-1中疲劳曲线得到许用疲劳次数N＝3.15×105次。

设计循环次数n＝2.5×105次。

按JB4732中c2.2计算，累计使用系数U=0.794<1，疲劳评定合格。

4 疲劳设备的安全设计

为提高压力容器疲劳寿命，可采取如下措施：

1）尽量保持设备结构的连续性，降低应力集中。加工中要注意减少成型偏差，焊缝余高要打磨平滑；采用圆滑过渡，避免使用垫板、补强圈等非整体连接件

2）冷作硬化处理，产生较高的压缩残余应力，从而提高疲劳强度。

3）机械超载，可使压力容器自行增强。

4）设备热处理，可有效消除残余应力。

5 结论

石油化工的快速发展，新工艺的开发，化工设备承受交变载荷的情况日益增多，产生疲劳失事的概率越来越高，化工设备的疲劳分析越来越引工程设计人员的重视和关注。当前，数值模拟技术，尤其是有限元分析（FEA）变得越来越流行，已经成为压力容器分析设计和疲劳评定的通用手段和工具。疲劳设备的设计将与普通设备设计一样普及，其设计、制造将更为合理、经济。

[1]李建国，压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2004：172.

TP3

1674-6708（2016）171-0241-02

刘立凯，湖南百利工程科技股份有限公司。赵文明，湖南百利工程科技股份有限公司。