齿啮式快开压力容器研究论文

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要齿啮式快开压力容器具有启闭快、承压能力强、适用压力范围广等优点，被广泛地应用在化工、石油、食品、医疗等工业领域中。其工作原理是在齿啮式快开装置的圆周方向加工出均布的齿，通过齿间的啮合和错开，达到快速启闭的目的，轴向力由釜体法兰来承担，由齿与齿之间的接触面来传递，是一个典型的接触问题，应力和变形的精确计算相当复杂。同时，由于容器多为半间歇操作，频繁的开、停工及压力波动使得容器中应力随时间呈周期性变化，这对容器抗疲劳性能提出了较高的要求。在工作压力下，齿啮式快开压力容器的齿与齿之间的接触面不仅相互挤压而且相对滑动，接触状态随着加载过程而变化，接触面上的应力难以事先确定。因此，针对国内缺少对整体卡箍齿啮式快开结构研究的问题，以 ANSYS 软件为主要工作平台，建立整体卡箍齿啮式快开结构的三维模型，根据实际工况对其约束与载荷作了有效处理，针对不同内压作用下的齿啮式快开结构进行有限元分析，得到应力分布规律，确定危险截面，针对危险路径进行线性化处理，依据 JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准进行强度评定。针对不同啮合度下的齿啮式快开结构进行了有限元分析，分三种情况，分别是周向、径向、周向与径向组合，得出了允许的啮合错动量。通过疲劳强度分析，对疲劳寿命进行预测。现场操作中通常对釜体齿根处的裂纹损伤进行打磨修复，使釜体齿根处呈现不同的圆角尺寸和凹陷尺寸，针对这些结构进行有限元分析，得出应力分布规律，确定允许的打磨量，这对提高齿啮式快开压力容器设计及制造的可靠性、经济性提供了重要的参考依据。关键词：齿啮式快开结构；有限元；接触分析；疲劳分析；应力线性化处理东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractTooth-locked quick opening pressure vessel with opening and closing fast, strong bearing capacity, wide applicability, etc. is widely used in petroleum, chemical, food, medical and other industrial fields. The working principle is the circumferential direction is processed in the teeth of the tooth-locked quick closure device. Through the teeth meshing and staggered, the rapid opening and closing is obtained. the axial force is borne by the kettle body flange, by the contact surface between the teeth and teeth to transfer, which is a typical contact problem, the stress and deformation of the accurate calculation is very complicated. At the same time,beacause the semi-batch operation,frequently opening, shuting down the stress and pressure fluctuation change periodically with time in the vessel ,it puts forward higher requirements for fatigue performance.Therefore,aiming at the lack of overall clamp tooth locked quick open structure of the problem,by using ANSYS software as the main working platform, the establishment of the overall card hoop of tooth locked quick open structure of 3D model,according to the actual working condition of the constraint and load for the effective treatment,according to the different pressure under the action of tooth locked quick open structure finite element analysis, stress distribution rules and to determine the dangerous cross-section,the dangerous path of linearization,based on the JB4732-1995 Steel Analysis and DesignStandard of Pressure Vessel,to evaluate the strength.According to the degree of different mesh of tooth locked quick opening structure finite element analysis, divided into three, respectively is week and radial directions, week to radial combination, it is concluded that the allowed engagement wrong momentum. Through fatigue strength analysis, the fatigue life is predicted. Field operation is usually on the kettle body root crack damage of grinding repair and the kettle body root present different fillet size and depression size and finite element analysis for the structure, gets the stress distribution law and to determine allowable grinding amount, which to improve the tooth locked quick opening pressure vessel design and manufacture of the reliability, economy provides an important reference.Key words：Tooth-locked quickopening structure；Finite element；Frictional contact analysis；Fatigue analysis；Stress linearization treatment东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究的工程背景、目的和意义 .11.2 快开结构的主要形式及工作原理 .31.3 快开结构有限元分析的国内外研究进展 .51.4 本文研究内容 .8第 2 章 不同内压下快开结构的有限元分析 .102.1 设计数据及材料性能参数 .102.2 快开结构的有限元模拟 .112.3 理想啮合状况下的有限元结果分析 .162.4 接触面的应力云图 .242.5 应力线性化分析与强度评定 .262.6 本章小结 .31第 3 章 不同啮合度下快开结构的有限元分析 .323.1 啮合度的定义 .323.2 周向错动的有限元分析 .333.3 径向错动的有限元分析 .403.4 组合错动下的有限元分析 .473.5 本章小结 .51第 4 章 齿啮式快开结构的疲劳分析 .524.1 疲劳失效机理 .524.2 基于 ANSYS 的疲劳分析 .554.3 理想啮合工况下的疲劳分析 .574.4 最危险工况下的疲劳分析 .624.5 强度分析与疲劳分析的比较 .644.6 本章小结 .65东北石油大学本科生毕业设计（论文）II第 5 章 修复后的啮合齿块的有限元分析 .665.1 釜体齿根裂纹产生机理 .665.2 带有裂纹的啮合齿块检测及修复 .675.3 带有裂纹和修复后的啮合齿块的有限元分析 .695.4 本章小结 .79结论与展望 .80参考文献 .82致 谢 .85附录 1.6MPa 下快开结构的有限元分析命令流 .86东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 研究的工程背景、目的和意义快开式压力容器广泛地应用于石油、化工、建材、食品、纺织、橡胶、航天、医疗、造纸等工业领域需要快速开启和关闭的承压装置中。例如化工工业中橡胶制品的硫化釜；精细化工中所用的超临界二氧化碳萃取釜；建材工业中的木材干馏釜、枕木防腐釜；建材工业中硅酸盐制品的蒸压釜；医院和实验室的消毒锅、高压氧仓；食品工业中釜头制品的灭菌釜、食品高压杀菌釜；纺织工业中的蒸煮釜、染色机等，其中硫化罐如图 1-1（a ）所示，染色机如图 1-1（b）所示。由于工业生产的需要和科学技术的不断发展，压力容器的快开门盖结构的直径有不断增大的趋势，使用温度、压力也越来越高，所应用的领域在不断拓展。（a）齿啮式硫化罐 （b）齿啮式染色机图 1-1 快开式压力容器近年来，多起蒸压釜爆炸较大生产安全事故直接原因是这种釜齿未闭合到位的啮合状况，在蒸汽压力的作用下釜齿所受的圆周方向分力就形成了一个沿开启转动方向作用于釜盖的转动力矩，压力越大，沿圆周方向的分力就越大，使釜盖转动的力矩也就越大，当釜齿只有一小部分面积接触，釜内蒸汽压力达到一定数值之后，釜齿局部应力过载，该部位就会产生塑性变形，从而导致釜齿脱离啮合而转动滑脱，釜盖脱开飞出，直接酿成爆炸事故的发生。从上述分析可知，事故直接原因是蒸压釜升压时釜门未完全闭合到位导致釜门脱开。蒸压釜事故图如图 1-2 所示。可见啮合齿块作为蒸压釜的主要承压部件起着至关重要的安全作用。东北石油大学本科生毕业设计（论文）2（a）爆炸现场图 （b）釜盖飞出图图 1-2 蒸压釜事故图随着蒸压釜安全事故的迭起，某调查小组对当地的 80 多台蒸压釜进行了全面检验，其中有 35 台的啮合齿都存在裂纹（如图 1-3 所示）。其中一台蒸压釜的 96 个啮合齿中共发现长度 40mm 以上裂纹 83 条，基本分布于啮合齿根部两侧，起裂点位于内侧，沿着剪切力方向扩展。说明啮合齿处于长期循环载荷的疲劳状态，局部啮合齿的失效断裂可能导致容器釜头的快速弹开，破坏力巨大，该处存在严重的安全隐患。（a）啮合齿根部断裂示意图 （b）齿块返修示意图图 1-3 啮合齿根裂纹图综上所述，啮合齿块是快开门式压力容器关键失效部位，齿块裂纹的成因和失效机理分析成为该类快开门式压力容器总体安全与寿命的关键因素之一，且这种受压元件- 啮合齿块失效导致的爆炸事故是灾难性的，企业及检测机构迫切想知道齿块缺陷的成因机理，掌握失效预测技术，制定相对应的预防及消除措施。随着科学技术的发展，通过齿块有限元模拟、应力分析等方法系统解决上述问题，从而提升该类快开门式压力容器的使用可靠性和寿命。东北石油大学本科生毕业设计（论文）31.2 快开结构的主要形式及工作原理快速开关盖的结构形式很多，按其基本原理大致可分为卡箍式、齿啮式、压紧式、剖分环式和移动式五大类 1。其中齿啮式快开装置以其开启方便，适用压力范围广的特点，是我国快开式压力容器中最为常用结构形式。1.2.1 齿啮式快开结构齿啮式快开结构作为主体结构的压力容器大都为中压容器或者低压容器。釜体法兰与釜体为一体的整体相连的齿啮式釜体法兰连接和釜体法兰与釜体为单独部件的齿啮式釜体法兰连接组成齿啮式快开结构两大分类，两种连接具体形式和结构见下图 1.4 所示。（a）整体相连的齿啮式釜体法兰连接图 （b）卡箍式齿啮式釜体法兰连接图图 1-4 齿啮式法兰连接图本文研究的是整体相连的齿啮式快开结构，基本工作原理为：在齿啮式快开装置的上法兰和卡箍圆周方向加工出均布的齿，通过将顶盖法兰旋转某一个角度可以实现上法兰齿和卡箍齿之间的啮合与错开，从而达到快速开关门的目的。其基本结构主要由顶盖、顶盖法兰、端部法兰和圆筒四部分组成。顶盖采用凸形封头（椭圆形封头、球冠形封头等）与顶盖法兰对接焊结构，在端部法兰上加工密封槽，实现顶盖法兰与端部法兰间的自紧密封。带球冠形封头的中、低压容器的基本结构如图1-5 所示。与其他凸形封头相比，筒径相同的情况下，封头部分容积较小，相应的重量轻，门转动方便。蒸压釜和硫化釜等快开门式压力容器多采用这种结构。东北石油大学本科生毕业设计（论文）41-顶盖 2-顶盖法兰 3-端部法兰 4-密封槽 5-筒体 6-端部法兰齿 7-顶盖法兰齿图 1-5 带球冠形封头的齿啮式快开结构图1.2.2 其它形式的快开结构（1）卡箍式快开结构卡箍式快开结构主要是由筒体、门盖、卡箍以及开门机构和安全联锁结构组成。通过卡箍的松开和箍紧来实现快开结构的开启和关闭，卡箍通常可以分为两瓣和三瓣的。卡箍式快开装置结构简单、使用压力范围广。在卡箍式快开装置中，卡箍内面有两个锥面分别与顶盖和筒体端部法兰的锥面相接触，承载由顶盖传递过来的轴向力。卡箍与平盖及筒体端部之间是通过相互挤压和摩擦来传递法向和切向应力。开门时，需松开主螺栓、移动卡箍，才能打开容器的端盖，由于需保证上下丝杆同步驱动，以及内表面腐蚀生锈导致摩擦增大，故很难达到快开的目的。（2）压紧式快开结构压紧式快开结构一般主要是利用活节螺栓，旋柄，首轮，凸轮等快速拧紧或松开门盖来达到快开的目的，活结螺栓结构的快开装置，旋转活结螺栓，预紧力由架铁传递至快开盖，实现初始密封，松开活结螺栓即可打开门盖，该结构装拆方便，结构简单，但是承压很低。一般用于低压或真空容器或者密封性能要求不高的工况。（3）剖分环式快开结构剖分环式快开结构的特点是由剖分环来承受内压产生的轴向力，可采用全自紧式密封结构，通过张力和收紧剖分环实现快开，这种结构可用于压力很高的工况。剖分环式快开结构主要由筒体法兰，剖分环及门盖和开闭机构组成。剖分环镶在门盖中，在剖分环上分别有两个锁孔与开闭机构连接，当转动开门手杆，剖分环锁紧至门盖内部，从而使得门盖和筒体分离，实现快开结构的快速开启。（4）移动式快开结构移动式快开结构又称平推式快开结构，移动式快开结构主要用在橡胶制品行业主要的生产设备，一般适合压力较低，密封要求不高的工况。移动式快开结构主要由筒体、封头、卡箍、法兰、以及开门气缸组成。左半卡箍和封头用螺钉固定在一东北石油大学本科生毕业设计（论文）5起，而右半卡箍则跟端部法兰连接在一起。在压力容器卸压后，封头在气缸拉杆的作用下以平移的方式迅速打开，从而实现快开门的迅速开启。1.3 快开结构有限元分析的国内外研究进展齿啮式快开容器的适用范围广，结构型式多，轴向力由齿与齿之间的接触面来传递，是一个典型的接触问题，应力和变形的精确计算相当复杂，此外，快开盖需要频繁启闭，容器受脉动载荷的作用，需要考虑疲劳。由于设计、选材、制造、使用等方面的原因，此类容器的事故频繁发生。据文献 2介绍，齿啮式快开容器事故率占我国压力容器爆炸的三分之一，且后果相当严重。在国际上，日本制定了高压和超高压快速启闭密封装置的设计标准 3，我国也颁布了相一致的化工行业标准 4。目前在用的大多数快开门式压力容器属于中、低压容器，尚无相应的标准可循。因此，国内外对此开展了大量研究工作。大型快开门式压力容器的常见失效模式有安全连锁装置失灵、超压超载、操作失误及啮合齿块的裂纹失效等。随着特种设备安全法、压力容器定期检验规程等一系列法规条例的出台，企业主体责任加大，超压超载，操作失误等现象越来越少。对安全联锁装置的检查及定期维护越来越重视，事故率呈逐年下降趋势。但针对啮合齿块的优化设计，机理分析、失效预防方面的研究却少见。目前国内外一般采用分析设计方法，主要考虑到大型快开门式压力容器的啮合齿块结构的不连续性，无法用传统的设计理念进行强度计算。但分析设计主要依托于数值模拟，在建模、加载、计算环节与现场实际工况还是有一定区别，同时未考虑振动、温差、磨损等实际情况。对快开门式压力容器整体方面的设计优化、余压危害、安全联锁装置的设计优化等方面开展很多研究。但针对釜体釜头上的主要受压元件啮合齿块的优化研究却很少，孙雁、刘正兴对蒸压釜釜体结构进行了优化计算及分析 5，研究结果只对釜体结构上进行大的改进，但对釜齿结构采用了很高的安全系数，未做实质性优化建议。针对该类容器的失效分析及事故预防重点都放在安全联锁装置上面，因为固定式压力容器安全技术监察规程压力容器定期检验规程中明确规定安全联锁装置必须完好，否则不得投入使用。目前对釜体的失效及预防措施，安全联锁装置的优化设计、爆炸危险性等研究颇多。盛水平，刘延雷等针对该类容器在余压情况下的门盖弹出做出了详细研究 6，结论为门盖飞出占爆炸总能量的 1520%，只有余压在 0.01MPa 以下才能安全开门。综上所述，目前分析设计方法能计算整体的釜体强度，但针对主要受压部件-齿块偏于保守，并未考虑实际工况及疲劳载荷、应力腐蚀等因素影响。对釜体的失效及预防措施，安全联锁装置的优化设计、爆炸危险性等研究颇多，但针对细节之处-齿块的专项失效机理分析、失效预测、使用工艺的优化等方面亟待解决。东北石油大学本科生毕业设计（论文）61.3.1 设计方法的研究（1）解析法针对齿啮式快开装置的具体结构型式，根据各部分结构特点和受力情况，在一系列的简化假设下，将其划分为若干可利用板壳理论和弹性理论分析的简单结构 7，各部分之间的相互作用内力和内弯矩来代替，建立各部分之间的变形协调条件，得出齿啮式快开装置的各部位应力的解析解，并针对不同应力如拉伸应力、弯曲应力、挤压应力等予以相应的应力限制条件。现有工程设计方法多是建立在弹性力学方法上，针对某种结构类型提供一套设计计算公式。日本工业标准 JIS B