水压试验对机壳应力变形影响的有限元分析

陈金明 霍海燕/西安陕鼓动力股份有限公司

0 引言

轴流压缩机以其卓越的高效率、宽广的运行范围、可靠的安全性能，在各项领域中得到了广泛应用[1-2]。压缩机机壳作为压缩机中重要的承压构件以及结构支撑，其几何尺寸十分庞大，缸壁相当厚实，其本身的功能要求有许多个压力室，缸体结构非常复杂。以上因素导致实际运行中机壳产生很大的应力和变形，机壳法兰中分面的水泄漏，正是变形过大导致的最常见的故障之一。

压缩机机壳在交付使用前，需要进行水压试验，从而对机壳结构的密封性及承压能力进行评判，并可同时检验机壳各处强度，是否在内压力作用下存在变形，以及焊缝处有缺陷[3]。如何精确定量分析机壳的应力状态和变形，以此指导结构设计和现场压缩机运行，避免漏水的发生，具有十分重要的意义。文中就是针对某大型轴流压缩机焊接机壳，采用两种不同的试验工艺，通过有限元法对其应力变形进行分析，从而为今后压缩机机壳的设计提供理论数据。

1 水压试验及其典型工艺

机壳整体采用焊接结构，主要由中间机壳、两侧轴承密封体、进出风口及中分面法兰构成，如图1所示。为验证机壳结构的密封性及承压能力，在机壳结构焊接、整体热处理后，对机壳进行密封，并进行相应的水压试验。水压试验的目的就是检测中分面法兰、进出风口、以及中间机壳在内压的作用下产生变形的情况和应力值。

图1 机壳接头各腔体位置示意图

本文采用分腔不等水压加压和整体等水压加压方式，进行相应的水压试验。具体工艺为：

工艺一：分腔加压。对进气端腔体进行密封，并对其施加水压0.25MPa；对出气端腔体密封，并施加0.45MPa的水压；两腔体分别保压30min。

工艺二：整体加压。对机壳内所有部分均施加0.45MPa 的水压，并保压30min，机壳内各腔相通。

本文假定水压试验时，采用在上下机壳间添加弹性密封层的方式，即机壳法兰部位不进行加工，依靠弹性密封层进行连接与密封。因此法兰在进行水压试验时及水压试验后将仍具有中心凸出状态的变形。

2 水压作用下机壳应力变形计算

2.1 分腔不等水压作用下的应力变形

在机壳承受水压情况下，因机壳内外压力不均衡，且因分腔加压，机壳各部位间压力也不均衡，因此会使机壳各部位产生不均衡的变形，并引起接头应力峰值的升高。

图2表示在分腔加载作用下，机壳的各向变形状态。从图中可看出，两侧支撑板及端盖均发生了向外的膨胀（Z 方向变形，也就是轴向的变形）。在受压较大的出气端，右侧支撑板及右侧端盖向外膨胀的数值更大一些，相对轴向膨胀量约4mm（也就是机壳轴向伸长约4mm）。因此可知0.45MPa 的水压载荷还是会对接头产生一定的影响，会使加载中接头相应腔体产生膨胀，且数值较大。

图2 分腔水压载荷下接头的各向变形状态图

图3为在分腔加载作用下，两侧支撑板组件中心圆环径向变形示意图（放大50 倍）。从图3中可看出，在加载过程中，支撑板组件中心圆环顶部产生了向内的凹陷，这一方面是由于在焊接和热处理过程中，壳板顶端由于刚度较小，在重力作用下，随着焊缝收缩和蠕变而产生了向内的塌陷。另一方面是由于在承受内压状态下，机壳与法兰结合面处向外膨胀的数值比机壳顶部更大，因此支撑板组件中心圆环产生了类似“压扁”的变形状态。右侧（出气端）支撑板组件中心圆环变形量大于左侧，其中右侧支撑板中心圆环顶部向内凹陷数值最大约为2mm。

图4表示在分腔水压载荷作用下，法兰的变形示意图（放大300倍）。从图中可看出，在水压载荷作用下，法兰径向发生了明显的向外膨胀，尤其是右侧腔体（出气端）因压力载荷较高，膨胀的更加厉害。右侧腔体一侧法兰在承受0.45MPa水压作用时，径向向外膨胀量约比未承受水压前大0.8mm。而法兰底边高度方向的变形比未承受水压前要小，约1mm。

图4 分腔不等水压载荷下法兰变形示意图

2.2 分腔不等水压卸载后应力变形

在水压试验保压30min 后，可缓慢卸除压力。如果机壳承受水压实验时压力过大，导致材料产生塑性应变，则在水压缓慢卸除后，机壳仍会产生因塑性应变而形成永久变形。如果机壳承受的水压较小，则在水压缓慢卸除后，因机壳所受弹性应变会随这压力的卸载而消失，因此机壳几乎不会发生变形。为探讨机壳在承受水压试验中，所加载试验压力大小对机壳的影响，本文对分腔水压载荷卸载后机壳的应力变形状态进行了计算。

图5表示在分腔水压卸载后，机壳的变形状态。在水压载荷逐渐卸除后，机壳相对向外伸长了约0.08mm，且机壳法兰两端发生了相对的径向膨胀约0.1mm，而两侧支撑板组件中心圆环均发生了圆度的较大变化，主要为沿径向“压扁”，最大压扁量约2mm，与未卸载前基本一致。因此如要保证最终装配精度，在两侧支撑板组件中心圆环处因增加足够的加工余量。

综合以上分析可知，在采用0.45MPa 和0.25MPa 水压进行分腔水压试验时，机壳接头几乎不会发生塑性应变，接头最大变形发生在右侧支撑板组件位置，接头完全处在安全状态下。在分腔水压卸载后，接头变形状态几乎会恢复到水压实验前的状态。

2.3 整体等水压作用下及卸载后的应力变形

在机壳内整体施加均布水压后，机壳内部各组件因内外压力平衡，不会再发生单向位移，而机壳外壳板因为刚度较小，在承受较大水压作用下有可能产生变形。

图5 分腔水压卸载后接头的各向变形状态及最终状态

图6 整体水压加载下机壳的变形状态图

图6表示在整体等水压载荷作用下，机壳的变形状态。从图中可以看出，经过整体水压载荷作用后，接头变形最大部位比进试验前约向外膨胀了0.01mm，其它部位变形状态与未进行整体水压试验前几乎是一致的。对机壳的Mises应力分布分析（如图7所示）可得，机壳应力值比水压试验前略有提高，几乎没有额外影响。因此，施加0.45MPa 的整体水压载荷，在加载状态下，机壳上半部分接头几乎不会产生任何变化。机壳接头在整体水压载荷作用下没有发生明显的变形，而在整体水压卸载后，变形进一步降低。

图7 整体水压加载下接头的Mises应力分布图

为具体说明法兰部位在整体水压卸载后的膨胀收缩状态，对法兰的变形进行了有限元计算。图8 表示在整体水压卸载后法兰的径向膨胀收缩变形。从图中可看出，整体水压卸载后，单独从法兰径向方面看，其变形量确实要小于分腔水压载荷卸载后的相应径向变形状态。其径向膨胀收缩峰值约小0.1mm。

图8 整体压卸载后法兰的径向膨胀与收缩图

图9表示在整体水压卸载后下，法兰的径向与横向发生的变形示意图（放大300 倍）。从图中可看出，在整体水压卸载后，法兰的变形状态与未施加水压试验以及整体水压作用下的变形状态几乎一致。通过分析机壳的Mises应力分布可得，在0.45MPa 整体水压卸载后，机壳接头高应力分布区域基本没有发生变化，应力峰值与未进行水压试验前几乎完全一致。

图9 整体水压卸载后法兰变形示意图

通过对机壳接头分腔不等水压及整体等水压过程的有限元计算，得出机壳接头在承受不同水压作用下的应力变形，见表1。

表1 不同水压作用下接头应力变形对比表

3 结论

通过对机壳接头在进行水压试验过程的应力变形计算，比较了采用分腔不等水压及整体等水压加载的特点，分析了接头采用整体等水压试验的可行性，可得出如下结论：

1）采用分腔不等水压及整体等水压试验，在加载中接头应力峰值会略有升高，而左右密封板位置会产生相对较大的轴向膨胀，但在卸载后，接头应力会有所下降，而变形则几乎会恢复到未进行水压试验前的状态。

2）采用整体等水压试验的效果要好于分腔不等水压试验，因为左右支撑板组件部位相对而言刚度较小，在承受分腔水压过程中会产生一定的轴向变形，有可能影响内部构件的安全。

[1]苗福源,肖继明,袁启龙.大型轴流压缩机焊接机壳的静态有限元分析[J].机械设计,2007,24(7):60-62.

[2]肖继明,穆生.大型轴流压缩机焊接机壳的动态特性分析[J].机械设计,2009,26(9):43-46.

[3]佘皖宁.压缩机焊接机壳的水压试验分析与研究[D].沈阳:东北大学，2008.

[4]邓凡平.ANSYS10.0 有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2007.