ANSYS在压力容器行业的疲劳分析应用

本文采用有限元分析法对煤气水分离器进行了详尽的疲劳分析,并按照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》(2005确认)进行疲劳评定。

设计条件

表1 设计数据

数据类别名称数值
设计载荷设计压力 MPa(G)3.1
设计温度℃220
水压试验载荷试验压力 MPa(G)4.5(立)
试验温度℃20
工作载荷Ⅰ工作压力 MPa(G)2.8
工作温度℃179
工作载荷Ⅱ工作压力 MPa(G)0.2
工作温度℃179
载荷波动加压、卸压循环1 次 / 3 h
设计寿命20 年(年操作时间8000h)
工作载荷Ⅰ~Ⅱ之间的循环次数53340
气密性试验循环次数30
压力试验循环次数30


疲劳分析免除的判定


根据JB4732第3.10.2.1条,对常温抗拉强度Rm≤550 MPa,∑nn1=8000/3×20=53340>1000次,故不在免除范围,该设备需进行疲劳分析。


疲劳强度评定

疲劳强度校核主要考虑正常工作循环、气密性试验循环和水压试验循环,分别计算每一个循环中最高和最低载荷作用下结构的应力强度,并求出最高和最低载荷作用下应力叠加情况,取叠加后主应力差波动范围更大位置进行分析,最终找出整个模型的疲劳分析点进行疲劳校核。


  • 正常工作循环

正常工作循环的压力波动范围为0.2~2.8MPa。正常工作循环主应力差波动范围见图1。              

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

图1-模型主应力差波动范围——正常工作循环

正常工作循环时N4a与筒体角焊缝处应力幅值Salt更大,图1中模型更大主应力差为277.418MPa,更大应力幅值经弹性模量修正后为:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

查JB4732-1995图C-1可知Salt1 (151.5MPa) 对应的允许循环次数N1=63337次,而操作工况总的循环次数n1=53340次,故n1<N1。

  • 气密性试验循环

气密性试验循环压力波动范围为0~3.1MPa。气密性试验循环主应力差波动范围见图2。

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

图2-模型主应力差波动范围——气密性试验循环

气密性试验循环时模型中人孔M与筒体角焊缝处应力幅值Salt2更大,图2中模型更大主应力差为330.8MPa,更大应力幅值经弹性模量修正后为:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

查JB4732-1995图C-1可知Salt2对应的允许循环次数N2=38680次, n2=30次,故n2<N2。

  • 液压试验循环

水压性试验循环压力波动范围为0~4.5MPa。水压试验压力取为2.14。水压试验循环主应力差波动范围见图3。

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

图3-模型主应力差波动范围——水压试验循环

水压试验循环时模型中人孔M与筒体角焊缝处应力幅值Salt3更大,图3中模型更大主应力差为480.057MPa,更大应力幅值经弹性模量修正后为:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

查JB4732-1995图C-1可知Salt3对应的允许循环次数N3=11618次,n3=30次,故n3<N3。

  • 累积损伤校核

正常工作循环用度系数:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

气密性试验循环用度系数:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

水压试验循环用度系数:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

累计用度系数:

ANSYS在压力容器行业的应用:疲劳分析

符合JB4732-1995 C.2.4 条款的要求。


结论

通过以上疲劳强度评定,说明本容器满足JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》所规定的疲劳强度要求。


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