卡箍型快开盲板头盖的可靠性设计.docx

卡箍型快开盲板头盖的可靠性设计杨冬伟1 ,刘亚丽1 ,苗一2 ,谢禹钧1(1 . 辽宁石油化工大学机械工程学院 ,辽宁 抚顺 113001 ; 2 . 华东理工大学化工机械研究所 ,上海 200237)摘 要 :针对快开盲板头盖常规性设计中不能反映载荷波动的缺点 ,利用可靠性的分析方法 ,考虑工作压力和材料屈服强度的不确定性因素 ,分析随机参数的分布特征 ,应用 Mo nte Ca rlo 数值计算方法对其进行 模拟实际操作工况抽样 ,结合有限元应力分析求出的危险截面的应力值 ,进行强度校核 。最终得出盲板头盖可靠度在 99 %以上时 ,最大工作压力范围为 5 . 5 6 . 1 M Pa 。同常规设计相比最大工作压力值有较大的提 高 ,证明这种概率性设计方法是客观有效的 。关键词 :盲板头盖 ;有限元 ;应力分析 ;强度 ; Mo nte Ca rlo 法 ;可靠度中图分类号 : T E969 文献标识码 :B 文章编号 :100628805 (2005) 05200152041 前言快开盲板是用于压力管道或压力容器的圆形 开口上并能实现 快速 开 启和 关闭 的 一种 机械 装 置 1 。它在石油 、化工 、轻工 、建材等工业中有广泛的应用 ,特别是在输油管道输油生产的清管作 业中起到了重要的作用 2 。快开盲板作为管线中 的关键辅助设备 ,其工作时对安全可靠性的要求 是极高的 。国内的快开盲板大都是按照常规方法设计 ,为了满足强度校核的安全 ,设计的工作压力较低 , 若提高承载压力 ,就不得不增大盲板的尺寸 、体积 和重量 ,这样就导致了原材料的浪费 、加工时间的 延长 ,使其经济效益降低 。究其原因 ,发现在常规 性设计中 ,把应力和材料的强度都看作确定的值 ,具有很大的盲目性和保守性 ,因为在实际应用中 ,机械构件的强度和应力都具有随机性 。 卡箍型快开盲板结构如图 1 所示 ,其头盖的安全性是设计中的关键 。通过引入概率理论 ,把 工作压力和材料屈服强度均看成随机变量 ,采用可靠性设计方法 ,有效地提高了盲板能承受的最 大工作压力 。2 有限元应力分析2 . 1 模型尺寸及材料特性根据盲板的实际尺寸 ,模型采用的筒体内直 径 为 1000 mm , 头 盖 的 厚 度 为 80 mm , 材 料 是16 M n R ,其弹性模最 E 等于 2 105 M Pa ,泊松比等于 0 . 3 ,计算压力选单位压力 P 等于 1M Pa 。图 1 盲板结构示意2 . 2 有限元网络划分及载荷边界条件由于快开盲板头盖的结构及载荷均满足轴对 称条 件 , 故 可 按 轴 对 称 情 况 建 模 。利 用 美 国 A N S YS公司 研 制 的 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 A N S YS9 . 0 ,选择四边形单元进行网格划分 ,单元 类型为 8 节点 SOL ID82 实体单元 ,几何形状规则的区域采用映射网格划分 ,不规则区域采用自由 网格划分 。在头盖的内表面施加压力载荷 ,对与 卡箍接触的两处分别施加 X 、Y 方向约束 ,头盖中 心处施加轴对称约束 。网格划分及加载如图 2 所 示 ,其中单元数为 687 个 ,节点数为 2248 个 。2 . 3 计算结果分析通过对后处理结果的分析 ,发现头盖中心处 和内壁根部转角处应力强度相对较大 ,如图 3 所收稿日期 :2005205227 。作者简介 : 杨冬伟 ( 1982 - ) ,男 ,辽宁省营口市人 。辽宁石油 化工大学在读硕士 ,从事压力容器应力分析及可靠性方面的 研究 。16 石 油 化 工设 备 技 术2005 年示 。将其中心处应力强度沿轴向由内到外绘成2y 图 ,如图 4 所示 。头盖内表面应力强度沿径向 由中心处向外先减小后增大 ,如图 5 所示 ,这是因为中心处附近应力较大 ,而在远离中心的地方 ,由于圆角处应力集中对应力的影响占主导地位 ,致使 应力值又迅速增大 。内表面根部圆角处应力强度 随转角不同按顺时针绘成2图 ,如图 6 所示 。位的安全性 进 行 评 定 。通 过 分 析 图 4 图 6 可知 ,盲板头盖内表面根部圆角处应力最大 ,故在此 处取一条路径线作为危险区域分析 ,提取出该截线处的薄膜应力值为 32M Pa ,薄膜加弯曲应力值为 55M Pa (在 A N S YS 后处理中 , SIN T 表示第三 强度 理 论 中 的 应 力 强 度 值 ) 。根 据 J B 4732 1995钢制压力容器 分析设计标准的规定 ,在设计载荷条件下 ,当评定点满足式 ( 1) 和式 ( 2)时 ,应力校核是合格的 。S = p Pm s( 1)( 2)p ( PmPb ) 1 . 5sS =+式中 : S 薄膜应力强度 ,M Pa ;s 盲板头盖材料的屈服强度 ,M Pa ;S 薄膜 应 力 强 度 与 弯 曲 应 力 强 度 之 和 ,M Pa ;p 工作压力 ,M Pa ;Pm 单位压力下的一次薄膜应力 ,M Pa ;pb 单位压力下的一次弯曲应力 ,M Pa 。图 2 头盖单元划分及载荷图图 3 头盖应力强度分布图 6 内表面根部转角处应力强度分布图 4 中心处沿厚度的应力强度分布4 参数的随机特性4 . 1 抽样理论采用 Mo nt e Ca rlo 法 5 对随机变量进行抽样 以计算盲板头盖的应力强度 ,其应用关键是设法 给出所需分布随机变量的通用抽样方法 ,这可以通过建立一个变换 ,将均匀分布随机变量的抽样 变换成该分布的随机变量抽样来实现 。为此 ,只 要给出一个单调上升的连续分布函数 F ( x) ,并做 一随机变量 ,使它们的分布函数重合于 F ( x) 。对于在 (0 ,1) 中均匀分布的随机变量,它的 分布函数 G( x) ,为 :图 5 内表面沿径向的应力强度分布3强度校核方法应用有限元分析得到了盲板头盖的应力分布 及大小 。现借鉴基于第三强度理论的压力容器分析设计标准 3 ,在应力分类中 ,将具有二次应力性质的成分并入一次局部薄膜应力 4 ,对头盖各部0 ,x ,1 ,x 0x ( 0 , 1)x 1G( x)( 3)=容易证明 , F1 () 即为所求的随机变数 6 。因第 26 卷第 5 期杨冬伟等 . 卡箍型快开盲板头盖的可靠性设计17 为 :计出满足评定条件的次数 ,除以总的抽样次数 ,即得到了盲板头盖的安全可靠度 。 盲板头盖可靠度计算流程由图 7 给出 。P ( F- 1 () x) = P ( F ( x) )= G( F ( x) ) = F ( x)( 4)表明 F - 1 () 的分布函数就是 F ( x ) ,即所需分布随机变量的抽样公式为 :F ( y) = ( 5)4 . 2随机变量抽样对盲板头盖进行强度评定时 ,涉及到的主要 随机变量有工作压力和材料的屈服强度 。大量的 试验数据表明 ,强度可用正态分布来描述 ,关于应 力的 分 布 情 况 , 在 静 载 荷 作 用 下 通 常 为 正 态 分布 7 。材料 16M n R 的屈服强度s 为 265 M Pa ,根 据有关规定要求 ,95 %产品的屈服强度高于手册中所给的屈服强度 8 ,取其随机变量的保证度系数k 为 - 1 . 65 ,对于钢材 ,强度变异系数值 Vs 范 围为 0 . 020 . 10 ,这里取为 0 . 05 ,则强度的均值 及其标准差 分别为 :sss265 =图 7 计算流程=1 +k V1 + ( -1 . 65)0 . 05ss= 288 . 8 M Pa根据上述原理 ,按照图 7 的步骤 ,分别取压力的均值p 为 58 M Pa 之间 ,均分成 30 份进行抽( 6)Vss0 . 05 288 . 8 =+ +1 +k Vs1 + ( - 1 . 65) 0 . 05样 ,利用 Vi sual C6 . 0 编制程序 ,计算应力值并计算安全概率 ,共抽样 100 万次 ,得出在不同的压 力均值下的可靠度曲线 ,如图 8 所示 。在压力均值为 6 . 0M Pa 时 ,盲板头盖的可靠 度为 99 . 4831 % ,如果取不同的压力标准差 ,计算 出的可靠度曲线如图 9 所示 。s= 15 . 7M Pa( 7)由于作用于 盲板 头 盖的 外载 荷 只有 工作 压力 ,而压力与应力值成线性对应关系 ,因此压力也 服从正态分布 。本文要通过可靠性设计确定出该快开盲板所能承受的最大工作压力 ,因此对压力的均值进行试选 ,标准差取其均值的 1/ 10 。有了 工作压力和屈服强度的分布和参数 ,就可以开始 对它们抽样 。5 可靠性分析盲板头盖的可靠性可以用可靠度来衡量 。可 靠度就是用概率表示的盲板头盖的可靠性程度 , 根据应力2强度分布干涉理论 , 可靠度是“强度大 于应力的概率”,可以表示为 :R ( t) = P ( r s) = P ( r s 0)式中 : t 工作时间 ;r , s 分别为强度 、应力分布 。( 8)图 8 不同压力均值下的可靠度6结论(1) 由图 8 可以看出 , 当工 作 压力 在 5 . 0 6 . 1M Pa之间 时 , 可 靠 度 曲 线 非 常 平 缓 , 可 靠 度 值都在99 %以上 ,可以认为此时盲板头盖是安全可靠 的 , 由 此 得 出 盲 板 最 大 的 工 作 压 力 为6 . 1M Pa 。当上式成立时 ,则可保证构件不会发生故障 ,否则将出现故障 9 。实际计算过程中 ,首先对式 ( 1) 和式 ( 2) 中的 工作压力 p 和材料的屈服强度s 按正态分布进行抽样 ,再依据该式进行强度计算及校核 ,最后统18 石 油 化 工设 备 技 术2005 年(2) 如按常规方法进行强度校核 ,把压力和屈服 强 度 看 作 是 确 定 的 值 , 则 得 出 盲 板 最 大 工作压力为 5 . 25M Pa , 相 比之 下 , 可 靠性 设计 得 出的最大工作压力比常规设计提高了 16 . 2 % ,证 明盲板头盖的这种概率性设计方法是可行的 。制程 序 进 行 Mo nt e Ca rlo 数 值 模 拟 和 可 靠 度 求解 ,计算费用都不是很大 ,因此这种方法不但大大 节省了设计的时间 ,而且准确性也更高 。参考文献 :12S Y/ T 0556 99 ,快速开关盲板 S 王强 , 张春华 . 卡环型快开盲板 J . 管道技术设备 ,2002 , (1)J B 4732 1995 钢制压力容器 分析设计标准 S J B 4732 1995 钢制压力容器 分析设计 标准释 义 S 刘文王廷. 概率断裂力学与概率损伤容限/ 耐久性 M .北京 :北京航空航天大学出版社 ,1999赵杰 . 基于 R6 的含缺陷压力管系断裂失效风险分析 系统 ( ) 理论及方法 J . 石油化工高等学校学报 ,2002 ,15 (3)赵亚凡 ,宋明大 . 可靠性方法在压力容器设计中的应 用及探讨 . 化工设计 ,2002 ,12 (5)许琦等 . 压力容器随机应力强度的模糊可靠性设计 .石油机械 ,2004 ,32 (3)刘惟信 . 机械可靠性设计 M . 北京 : 清华大 学出版 社 ,19963456图 9 不同压力标准差的可靠度(3) 分析图 9 可知 ,随着盲板内压标准差的逐渐增大 ,盲板头盖的可靠度越来越低 ,这表明本 文推荐的盲板头盖的可靠性设计方法用于压力波动过大的场合时要慎重 。(4) 随着计算机计算能力的增强 ,无论是利 用 A N S YS 进行应力分析还是利用 Vi sual C + + 编789(上接第 14 页)弹性刚度为 K1 ; 膨胀节 E2 的波纹管波数为 n2 ,单波弹性刚度为 K2 ;平衡膨胀节 E3 的波纹管波数为 n3 , 单波弹 性刚度 K3 ;取 E1 和 E2 所吸收的总热膨胀量为 X ,则 X=1 +2 +3 +4 。根据静力学平衡原理 ,管道膨胀节 E1 产生的 弹性反力 FX1 应与 E2 产生的弹性反力相同 ,方向 相反 。略去推导过程 ,则 E1 的热位移量 X1 和 E2 的热位移量 X2 为 :如果两管道膨胀节的刚度相同 , 即 K1 = K2K ,则 :=K X FX1 = FX2 =n1 + n2平衡膨胀节 E3 的热位移量 :X3 = 5 - 1 - 2平衡膨胀节的弹性反力为 : X3FX3 = K3n3作用在 支 座 G1 和 G2 的 轴 向 推 力 , 大 小 相等 ,方向相反 : FX = FX1 - FX3同前所述 ,求支座推力时 , FX