設(shè)備法蘭連接螺柱的疲勞強度校核

設(shè)備法蘭連接螺柱的疲勞強度校核梁慶海【摘要】以某設(shè)備為例依據(jù)JB4732-1995(2005年確認)附錄D中的理論計算方法，對法蘭連接螺柱的疲勞強度進行計算和評定，并對法蘭連接結(jié)構(gòu)建立有限元模型進行分析，將螺柱應(yīng)力分析計算結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，真實準確地對該螺柱的疲勞強度進行安全評定,為設(shè)備法蘭連接螺柱的疲勞設(shè)計提供參考.％ExampledwithanequipmentsubjectedtocyclicloadsandbyusingthemethodsinAppendixDinJB4732-1995"SteelPressureVessels-DesignbyAnalysis"(Confirmedin2005),thefatiguestrengthofboltsinflangedconnectionwascalculatedandassessed.Thefiniteelementmodelforflangedconnectionstructurewasbuiltandthenanalyzed.Theresultsfromanalysisofboltstresseswerecomparedwiththatfromtheoreticalcalculation,sothatthefatiguestrengthoftheboltshavebeenassessedwithpreciseandbelievableresults,whichcanbereferencedforlaterfatiguedesignofequipmentflangebolts.【期刊名稱】《化工設(shè)備與管道》【年(卷)，期】2018(055)002【總頁數(shù)】4頁(P15-18)【關(guān)鍵詞】螺柱;應(yīng)力分析;疲勞分析【作者】梁慶海【作者單位】中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院，吉林132002【正文語種】中文【中圖分類】TQ050.2;TH123疲勞斷裂是設(shè)備法蘭連接螺柱在交變載荷作用下常見的一種破壞形式，螺柱在疲勞斷裂前不會產(chǎn)生明顯的塑性變形，往往突然發(fā)生斷裂，對存在疲勞工況的設(shè)備來說，除了需要考慮開孔應(yīng)力集中的影響以外，設(shè)備法蘭螺柱的疲勞強度校核也是非常重要的，因此在疲勞設(shè)備分析設(shè)計中，對螺柱的疲勞強度校核不能忽視。常規(guī)的做法是按照JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》(2005年確認)附錄D進行法蘭和螺柱的計算，以此解析解為依據(jù)對螺柱進行疲勞評定。但在實際操作過程中，螺柱受力狀態(tài)十分復(fù)雜，其中法蘭結(jié)構(gòu)、螺柱數(shù)量、螺柱直徑、墊片性能等對螺柱的應(yīng)力值都有很大的影響，特別是存在交變載荷工況的作用下，理論解與實際載荷作用下的應(yīng)力值會有很大的誤差，會給安全生產(chǎn)帶來隱患，為此，本文依據(jù)JB4732—1995附錄D中的解析法對法蘭連接螺柱的疲勞強度進行計算，按照附錄C進行疲勞評定，并借助ANSYSWORKBENCH16.2軟件，建立封頭、法蘭、螺柱的三維有限元模型，采用有限元分析方法對法蘭連接螺柱在交變載荷作用下的疲勞強度進行計算和評定，驗證設(shè)計的合理性和可靠性。1設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)分析1.1設(shè)計參數(shù)設(shè)計基本參數(shù)如表1所示。表1設(shè)計參數(shù)Table1Designdata項目參數(shù)設(shè)計壓力/MPa1.0設(shè)計溫度/°C150儲存介質(zhì)洗油、炭微球腐蝕裕量/mm0板材負偏差/mm0.3設(shè)備內(nèi)徑/mm1900筒體和封頭材料S30408筒體厚度/mm12上封頭尺寸/mmEHA1900x12(10.4)螺柱/螺母材料35CrMoA/30CrMoA壓力變化頻次壓力波動0~0.7MPa共60000次設(shè)計使用年限/a101.2結(jié)構(gòu)分析由NB/T47020~47027—2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》標準，選取公稱壓力PN=2.5MPa的設(shè)備法蘭，法蘭厚度為132mm，螺柱60xM36x3mm,為降低螺柱的應(yīng)力，螺柱數(shù)量由60個增加到80個，墊片為公稱壓力PN=2.5MPa的柔性石墨纏繞墊。疲勞工況為操作壓力在0~0.7MPa之間波動，在設(shè)計使用年限內(nèi)的總設(shè)計循環(huán)次數(shù)為60000次，法蘭螺柱連接結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圖1法蘭螺柱連接結(jié)構(gòu)模型Fig.1Flangeandboltmodel2疲勞壽命分析2.1理論計算依據(jù)JB4732—1995附錄D以及該設(shè)備設(shè)計參數(shù)中的載荷數(shù)據(jù)，對該設(shè)備法蘭連接螺柱的疲勞壽命進行分析計算。2.1.1墊片參數(shù)墊片外徑Do=2008mm，墊片內(nèi)徑Di=1958mm，墊片有效密封寬度b=8.94mm。墊片壓緊力作用中心圓直徑DG=1990.11mm，墊片系數(shù)m=3，比壓力y=69MPa。2.1.2螺柱疲勞強度校核最高操作壓力下，需要的最小墊片壓緊力最高操作壓力下，流體壓力弓I起的總軸向力最高操作壓力下，需要的最小螺柱載荷最低操作壓力下，需要的最小螺柱載荷最高與最低操作壓力下，設(shè)計載荷波動范圍Wp1-Wp2=2412302.82N，螺柱軸向正應(yīng)力。=(Wp1-Wp2)/Ab=21.17MPa,疲勞強度減弱系數(shù)K=4.0,螺柱最大應(yīng)力強度amax(Aainti)=K。=84.68MPa,交變應(yīng)力強度幅：Salt'=0.5max(S12,S23,S31)=0.5Aainti=42.34MPa,設(shè)計疲勞曲線中給定的楊氏彈性模量E=207000MPa,疲勞分析溫度下的楊氏彈性模量Et=185400MPa，設(shè)計疲勞曲線溫度下的交變應(yīng)力幅Salt=Salt'xE/Et=47.27MPa。根據(jù)JB4732—1995，按表C—1(圖C—4,MNS<2.7Sm)插值得：計算的循環(huán)次數(shù)超過1000000次，設(shè)計的循環(huán)次數(shù)60000次，螺柱疲勞強度滿足設(shè)計要求。2.2有限元分析和理論計算的比較2.2.1對PN=2.5MPa的設(shè)備法蘭螺柱進行疲勞分析計算有限元分析采用ANSYS16.2軟件，選取PN=2.5MPa的設(shè)備法蘭，根據(jù)該設(shè)備法蘭的結(jié)構(gòu)和載荷分布，建立上封頭、上法蘭、下法蘭、螺柱的三維有限元模型，選取1/80模型進行有限元分析，如圖2所示，對稱面施加對稱約束，筒體下端施加軸向位移約束，內(nèi)壁施加操作壓力，法蘭之間采用接觸分析模擬墊片的作用，螺柱截面僅考慮最小根徑，不考慮螺紋的影響，在疲勞工況作用下，經(jīng)過應(yīng)力分析計算，法蘭系統(tǒng)計算應(yīng)力值185.8MPa，如圖2所示，螺柱應(yīng)力呈現(xiàn)一側(cè)受拉，一側(cè)受壓的的狀態(tài)，這與法蘭系統(tǒng)的剛度有直接關(guān)系，受拉側(cè)應(yīng)力均值為71MPa,螺柱應(yīng)力值如圖3所示。與理論計算值21.17MPa相比較，螺柱承受軸向應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的組合應(yīng)力要大于理論計算值。考慮疲勞強度減弱系數(shù)4.0，通過彈性模量修正，交變應(yīng)力強度幅Salt=0.5x4.0x(71-0)x207/185.4=158.5MPa，由JB4732—1995中圖C—4和表C—1可知，許用循環(huán)次數(shù)為41345次，不滿足60000次設(shè)計循環(huán)次數(shù)的要求。因此需要降低螺柱的最大應(yīng)力重新進行評定。2.2.2對僅增加法蘭厚度的設(shè)備法蘭螺柱進行疲勞分析計算螺柱的最大組合應(yīng)力受結(jié)構(gòu)的剛度影響較大，為此選取僅增加法蘭厚度來降低螺柱的最大應(yīng)力值，法蘭厚度由132mm增加到212mm，法蘭高度相應(yīng)調(diào)整，其他尺寸不變，增加厚度后法蘭系統(tǒng)計算應(yīng)力值為196.5MPa，如圖4所示，螺柱受拉側(cè)應(yīng)力均值為54MPa，螺柱應(yīng)力值如圖5所示。從螺柱受拉側(cè)的組合應(yīng)力可以看出，應(yīng)力值已經(jīng)有所下降，但應(yīng)力分布不均勻，可見螺柱應(yīng)力的降低，不僅僅和法蘭厚度有關(guān)系，還應(yīng)考慮法蘭外徑、頸部長度及厚度的影響。2.2.3對PN=4.0MPa的設(shè)備法蘭螺柱進行疲勞分析計算為考慮法蘭系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)尺寸的相互協(xié)調(diào)，選取PN=4.0MPa的設(shè)備法蘭進行分析，法蘭厚度為210mm，螺柱為60xM48mm,法蘭系統(tǒng)計算應(yīng)力值為148MPa，如圖6所示，螺柱受拉側(cè)應(yīng)力均值為44MPa,螺柱應(yīng)力值如圖7所示，經(jīng)評定，許用循環(huán)次數(shù)為690000次，滿足60000次的設(shè)計循環(huán)次數(shù)的要求。圖2PN2.5MPa設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力值Fig.2PN2.5MPaflangestructurestress圖3PN2.5MPa設(shè)備法蘭螺柱應(yīng)力值Fig.3PN2.5MPaboltstructurestress圖4PN2.5MPa加厚設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力值Fig.4PN2.5MPathickflangestructurestress圖5PN2.5MPa加厚設(shè)備法蘭螺柱應(yīng)力值Fig.5PN2.5MPathickflangeboltstress圖6PN4.0MPa設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力值Fig.6PN4.0MPaflangestructurestress圖7PN4.0MPa設(shè)備法蘭螺柱應(yīng)力值Fig.7PN4.0MPaboltstructurestress3結(jié)論(1)通過對設(shè)備法蘭連接的螺柱進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)螺柱內(nèi)側(cè)受拉，夕卜側(cè)受壓，與法蘭實際受力狀態(tài)相符，并和理論計算值進行比對，螺柱的軸向應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的最大組合應(yīng)力要比理論計算值偏高，以此為依據(jù)進行疲勞強度校核更加安全可靠。螺柱的最大組合應(yīng)力受法蘭系統(tǒng)剛度的影響很大，增大法蘭厚度，控制法蘭的變形，可明顯降低螺柱內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力，對螺柱疲勞強度校核有很大的幫助，但應(yīng)保證法蘭系統(tǒng)尺寸的相互協(xié)調(diào)，選用標準法蘭結(jié)構(gòu)更加合理。按照JB4732—1995附錄C中的C.5螺柱的疲勞分析，當螺柱材料的標準最小抗拉強度在690MPa以下時，應(yīng)采用圖C—4的設(shè)計疲勞曲線，考慮不小于4.0的疲勞強度減弱系數(shù)，其主要是考慮螺紋對應(yīng)力集中的影響，因螺柱實際受力狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)對螺柱進行定期檢驗和更換，保證設(shè)備安全可靠地運行。參考文獻【相關(guān)文獻】JB4732—19