吸附器封頭的比較選擇與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張杰，郝明濤，趙合楠，江保全，宋寧

（西南化工研究設(shè)計院有限公司， 四川 成都 610025）

本文基于有限元計算軟件ANSYS，以球形封頭和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭為例，從力學(xué)分析出發(fā)，對吸附器封頭的比較選擇與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了較詳細的闡述，給此類設(shè)備的設(shè)計提供參考。

1 設(shè)計條件

本文以吸附器上部封頭結(jié)構(gòu)為例，討論壓力波動循環(huán)工況對其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，幾何參數(shù)、材料參數(shù)和載荷條件參數(shù)確定如下：

筒體內(nèi)直徑2 000 mm，接管內(nèi)直徑500 mm（位于封頭頂端中心，對接NB/T 47023—2012 對應(yīng)壓力等級的長頸對焊容器法蘭），多孔板內(nèi)件直徑1 600 mm（通過支撐環(huán)焊接于封頭內(nèi)壁，保證焊透）。

筒體/封頭材料Q345R，接管鍛件材料16Mn，內(nèi)件材料為碳鋼，不考慮腐蝕裕量。

操作壓力波動范圍考慮0 ～ 1.6 MPa（載荷條件A）和0 ～ 4.0 MPa（載荷條件B），考察不同壁厚封頭的情況，操作溫度為常溫。

2 分析比較

2.1 主體元件厚度設(shè)定

按照壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則設(shè)計，計算筒體和封頭的有效厚度[3]。由于球形封頭的計算厚度是小于筒體的，直接采用筒體相同厚度的板材沖壓后的最小厚度為有效厚度；而橢圓形封頭的計算厚度與筒體基本相同，采用大于筒體厚度的板材沖壓后的最小厚度與筒體的有效厚度相同。為了更直觀地比較兩種封頭結(jié)構(gòu)的差異，除封頭厚度外，其他尺寸保持一致。具體尺寸見表1。球形封頭和橢圓形封頭結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1 和圖2。

表1 主體元件尺寸Table 1 Main component size mm

圖1 球形封頭和橢圓形封頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of spherical head and elliptical head

2.2 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和載荷特性，采用軸對稱的力學(xué)模型?？紤]焊接內(nèi)件對封頭應(yīng)力的影響，按照焊接內(nèi)件的實際尺寸建立模型，筒體長度大于邊緣應(yīng)力的衰減長度。采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件提供的面單元，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，將網(wǎng)格細化，以求精確計算該局部的應(yīng)力分布。模型邊界條件設(shè)定如下：筒體環(huán)截面上施加位移約束，限定沿設(shè)備軸線方向位移為0；筒體、封頭、接管內(nèi)表面及內(nèi)件表面受均勻內(nèi)壓分布載荷；接管端面施加內(nèi)壓引起的相應(yīng)等效拉力。

2.3 應(yīng)力計算結(jié)果

兩種封頭結(jié)構(gòu)在載荷條件A 的應(yīng)力結(jié)果見圖2，在載荷條件B 的應(yīng)力結(jié)果見圖3。在保證結(jié)構(gòu)強度安全的前提下，不再詳細描述應(yīng)力線性化處理分類和強度評定，僅考察與疲勞相關(guān)的最大應(yīng)力強度幅點。

PIVKA-II為維生素K缺乏或拮抗劑-II誘導(dǎo)蛋白,1984年首次對肝癌患者血清PIVKA-II水平進行研究,90%左右的肝癌患者PIVKAII水平呈現(xiàn)不同程度升高,應(yīng)用放免法對照,91%的患者出現(xiàn)AFP升高[3]。隨著對PIVKA-II研究的不斷深入,PIVKA-II易被證實為肝癌血清腫瘤標(biāo)志物,目前已被歐美國家認定為肝癌診斷重要指標(biāo)[4]。

圖2 球形封頭與橢圓形封頭結(jié)構(gòu)在載荷條件A 的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of spherical head and elliptical head structure under load condition A

圖3 球形封頭與橢圓形封頭結(jié)構(gòu)在載荷條件B 的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of spherical head and elliptical head structure under load condition B

在兩種載荷條件下：球形封頭結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強度幅值均出現(xiàn)在多孔板內(nèi)件支撐環(huán)與封頭連接處，分別為179.99 MPa 和160.89 MPa；接管與封頭連接處的應(yīng)力值分別為178.96 MPa 和159.87 MPa，與最大應(yīng)力幅值接近。橢圓形封頭結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強度幅值均出現(xiàn)在接管與封頭連接處，分別為283.96 MPa和258.16 MPa；多孔板內(nèi)件支撐環(huán)與封頭連接處的應(yīng)力幅值分別為164.55 MPa 和147.54 MPa，與最大應(yīng)力幅值相差較多。

2.4 分析與討論

本質(zhì)上講，疲勞壽命取決于結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強度幅的大小。只要疲勞許用壓力波動循環(huán)達到許用次數(shù)，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強度幅區(qū)域?qū)⒖赡苈氏瘸霈F(xiàn)缺陷，造成整個結(jié)構(gòu)的疲勞失效破壞。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的“設(shè)計疲勞曲線”[3]，確定壓力波動循環(huán)工況對應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)見表2。

表2 疲勞許用壓力波動循環(huán)次數(shù)Table 2 Fatigue allowable number of pressure fluctuation cycles

在幾乎相同的工藝和幾何條件下，橢圓形封頭結(jié)構(gòu)的疲勞壽命不到球形封頭結(jié)構(gòu)的七分之一，而且壓力越高的工況兩者差距更大。也就是說，球形封頭可以覆蓋更高頻次條件壓力波動的情況，而橢圓形封頭能夠適用的壓力波動頻次將大打折扣。

兩種封頭結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的應(yīng)力水平差距較大，主要原因在于：球形封頭規(guī)則的形狀使得沿壁厚的薄膜應(yīng)力是均勻的，僅在接管和支撐環(huán)連接處等結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位引起局部的應(yīng)力集中，成為了影響封頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命的決定因素。橢圓形封頭比較扁，沿壁厚的軸向和周向薄膜應(yīng)力在頂部區(qū)域是最大的，此處剛好是接管連接處，應(yīng)力疊加引起的總體應(yīng)力驟然增大；支撐環(huán)與封頭連接處的軸向和周向薄膜應(yīng)力已變小，并且在曲率變化大的區(qū)域附近周向應(yīng)力還會由拉伸應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，應(yīng)力疊加后此處的總體應(yīng)力水平反而較球形封頭得到改善[2]，已不再是影響封頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命的決定因素了[4]。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

從比較分析的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：球形封頭兩處不連續(xù)部位的應(yīng)力值已經(jīng)控制得非常接近，且已基本滿足設(shè)備疲勞壽命的需求；橢圓形封頭的接管與封頭連接處應(yīng)力強度幅相當(dāng)大，嚴重影響其疲勞壽命。通過優(yōu)化橢圓形封頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計[5-7]，降低其應(yīng)力強度幅，從而有效提高吸附器的預(yù)期疲勞壽命，使其能適用于更高頻次壓力波動的吸附器，著手點在于降低接管與封頭連接處應(yīng)力強度幅，可以從以下幾個方面入手。

（1）增加封頭厚度。圖4 為橢圓形封頭在兩種載荷條件下封頭厚度—接管與封頭連接處應(yīng)力值的關(guān)系。隨著封頭厚度的增加，最大應(yīng)力值降低的幅度較大。通過試算，封頭厚度需要增加60%左右方可降低到球形封頭的最大應(yīng)力強度幅水平。這是最直接的方式，增加封頭厚度對于降低局部應(yīng)力是相當(dāng)有效的，然而為了降低一個局部區(qū)域的應(yīng)力而增加整個結(jié)構(gòu)的厚度和重量顯然是不合理的。

圖4 橢圓形封頭厚度—接管與封頭連接處應(yīng)力值的關(guān)系Fig.4 Relationship between thickness of elliptical head and stress value at the connection between nozzle and head

（2）接管大端水平底面。橢圓形封頭的頂部曲率比較大，將此處的接管大端不再與封頭內(nèi)側(cè)弧形匹配而設(shè)計成水平底面，既降低了加工難度也稍微增加了該部位的厚度。通過試算，兩個載荷條件的接管與封頭連接處最大應(yīng)力強度幅可分別降低12%和9%。

（3）增加接管外圓角半徑。接管在整個結(jié)構(gòu)中屬于較小的零件，改變接管的尺寸對整個結(jié)構(gòu)影響較小。圖5 為橢圓形封頭在兩種載荷條件下接管外圓角半徑—接管與封頭連接處應(yīng)力值的關(guān)系。通過試算，即使接管外圓角半徑分別增加93%和64%，兩個載荷條件的接管與封頭連接處最大應(yīng)力強度幅也僅分別降低20%和7%，繼續(xù)增大已無法得到更明顯的降幅，即增加接管外圓角半徑對于降低局部應(yīng)力的效果是有限的。

圖5 橢圓形封頭接管外圓角半徑—接管與封頭連接處應(yīng)力值的關(guān)系Fig.5 Relationship between outside fillet radius of nozzle and stress value at the connection between nozzle and head

結(jié)合以上三種方式，采用表3 所列的結(jié)構(gòu)和尺寸，對橢圓形封頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并與球形封頭和優(yōu)化前的橢圓形封頭進行比較。圖6 和圖7 分別為兩種封頭結(jié)構(gòu)在載荷條件A 和載荷條件B 的變形趨勢和應(yīng)力結(jié)果，實線為變形前的輪廓。為便于直觀地比較，變形比例均放大了40 倍。

圖6 球形封頭與橢圓形封頭在載荷條件A 的變形Fig.6 Deformation of spherical head and elliptical head under load condition A

圖7 球形封頭與橢圓形封頭在載荷條件B 的變形Fig.7 Deformation of spherical head and elliptical head under load condition B

表3 球形封頭與優(yōu)化前后的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)Table 3 Spherical head structure and elliptical head structure before and after optimization mm

從變形的角度看，球形封頭是均勻向外膨脹的，變形量較小，僅由接管和支撐環(huán)連接處的部位限制了一定的變形。橢圓形封頭由于“趨圓”現(xiàn)象，頂部向上翹得比較多，底部曲率變化大的區(qū)域往內(nèi)收的效果明顯，反映了協(xié)調(diào)變形的二次應(yīng)力成分也較大[4]。當(dāng)然，適應(yīng)載荷條件B 的結(jié)構(gòu)厚度的增加帶來的剛度提高，使變形幅度得到了抑制，二次應(yīng)力成分相應(yīng)減小，反映到應(yīng)力水平值有所減小。優(yōu)化后的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)由于接管和封頭的強度和剛度都得到了加強，頂部上翹的幅度明顯減小，已可達到球形封頭結(jié)構(gòu)的相同的最大應(yīng)力強度幅值或疲勞壽命。同時，由于封頭厚度的增加，多孔板內(nèi)件支撐環(huán)與封頭連接處的應(yīng)力幅值也相應(yīng)減小，使得制造時此處可能存在的焊接缺陷的危害程度也進一步下降。

從結(jié)構(gòu)重量的角度看，對于載荷條件A，優(yōu)化的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)重量僅比球形封頭結(jié)構(gòu)增加了2%；對于載荷條件B，優(yōu)化的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)重量比球形封頭結(jié)構(gòu)增加了16%。也即是，在壓力波動載荷較小的工況條件下，比如壓力波動范圍在2 MPa 以內(nèi)，優(yōu)化的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)可以考慮替代球形封頭結(jié)構(gòu)使用；而在壓力波動范圍較大的工況條件下，優(yōu)化的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)相比球形封頭結(jié)構(gòu)的材料成本提高較多，替代球形封頭結(jié)構(gòu)使用的經(jīng)濟性劣勢凸顯，已不適合選用。

4 結(jié)束語

本文通過對疲勞壓力容器吸附器的球形封頭和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析，比較和闡述了兩種封頭結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)力分布規(guī)律和成因，并進行了封頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）在相同工藝和幾何條件下，兩種封頭結(jié)構(gòu)的疲勞壽命差距顯著。球形封頭可以覆蓋更高頻次條件壓力波動的情況，而橢圓形封頭能夠適用的壓力波動頻次將大打折扣。

（2）從應(yīng)力和變形角度，驗證了改善橢圓形封頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命的途徑及其有效程度。

（3）根據(jù)對吸附器封頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和成本比較，提出了疲勞壓力容器封頭選擇的建議。