半圆管真空耙式疲劳干燥机结构优化与疲劳分析

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(1.先尼科化工(上海)有限公司， 上海 201707； 2.合肥通用机械研究院有限公司， 安徽 合肥 230031)

某车间一批半圆管真空耙式疲劳干燥机在投用数月后，均出现了不同程度的蒸汽泄漏。通过深入分析和失效评价，在排除了介质腐蚀和应力腐蚀等失效机理后，认为是半圆管相交的焊缝以及半圆管和筒体的焊缝在温度载荷和内压的作用下产生了应力集中，焊缝强度达不到疲劳要求所致，决定对其半圆管结构和焊缝形式进行优化设计研究。

目前国内的半圆管夹套容器研究多采用有限元方法[1-6]。曹亚熹等[7]给出了在温差作用下半圆管计算公式和条件式。蒋文春等[8]认为焊接残余应力是导致半圆管夹套开裂的重要因素之一，并通过ABAQUS进行了验证。陈慧文等[9]在热变形、介质流动等方面对夹套管的选型进行了分析。苏厚德等[10]分析了热环境下开孔容器的疲劳应力分布，结果显示接管与筒体相贯处应力集中很大。王茂廷等[11]研究了在一次二阶矩法和蒙特卡洛法下压力容器基于疲劳寿命的模型。董丽萍[12]对不锈钢夹套容器缺陷的产生和预防进行了系统的总结。另外，制造和焊接过程中质量的严格把控对夹套容器的寿命也极其重要[13-16]。

1 半圆管真空耙式疲劳干燥机设计概况

1.1 结构设计

半圆管真空耙式疲劳干燥机原结构设计简图见图1。干燥机体积6 m3，长3 800 mm，主体结构由筒体和半圆夹套管组成。原设计中，纵向半圆管规格为Ø159 mm×8 mm和Ø89 mm×6 mm，横向半圆管规格为Ø89 mm×6 mm，间距142 mm。半圆管通过角焊缝与筒体连接，其中Ø159 mm×8 mm的半圆管为进气总管，Ø89 mm×6 mm的半圆管为进气支管。在中部进料口附近，Ø89 mm×6 mm半圆管围成矩形通道，与Ø159 mm×8 mm半圆管形成流通互补。

1.2 设计参数

图2中半圆管真空耙式疲劳干燥机总质量7 700 kg，筒体为II类压力容器，夹套内介质为水蒸气，筒体内介质为浆料，物料特性为非爆、非易燃，物料环境为真空。干燥机腔体结构设计参数见表1。

表1 干燥机腔体结构设计参数

2 半圆管真空耙式疲劳干燥机泄漏情况

泄漏点集中在横向与纵向半圆管的焊缝处及半圆管和筒体的焊缝处，见图2。发生泄漏的部位集

图2 半圆管真空耙式疲劳干燥机泄漏现场

中在进气总管和横向进气支管的焊缝处、横纵进气支管的焊缝处以及进气总管和筒体的焊缝处。在多次补焊后，类似情况仍然时有发生，并没有得到根本性的解决。

3 半圆管真空耙式疲劳干燥机结构优化

3.1 干燥机工作原理

半圆管真空耙式疲劳干燥机工作时，首先进入热态过程，2.5 MPa、225 ℃的高温蒸汽进入夹套，通过半圆管夹套与筒体内物料进行冷热循环换热，将物料从80 ℃加热至210 ℃。在冷态下，待物料内的水分蒸发充分后，夹套内充入100 ℃常压蒸汽对210 ℃物料冷却，直至放料，完成一次干燥过程。根据现场工序推算，干燥机每年需要完成的完整干燥过程约400次。

3.2 蒸汽泄漏原因分析

根据现场泄漏情况、针对泄漏部位进行失效评价和干燥机的工作原理分析，排除了介质腐蚀和应力腐蚀等失效机理，认为是半圆管相交的焊缝处以及半圆管和筒体的焊缝在温度载荷和内压的作用下产生的应力集中，导致现有焊缝的强度无法满足实际工况的疲劳要求，这一结论经过核算也得到了进一步的确认。根据确定的泄漏原因，决定在不改变干燥工艺和换热需要的前提下，对半圆管的结构形式进行重新设计，对重点部位进行优化。

3.3 干燥机结构改造

针对半圆管的连接问题，优化改造夹套结构。优化后的干燥机结构见图3，设计的重点在改变半圆管夹套的连接形式。横向集气支管间距不变，针对原结构中进气总管和进气支管的连接处应力过高问题，将进气总管整体移出筒体结构，通过外置2根Ø114.3 mm×6 mm的进气管形成相对独立的流道完成进气过程，进气管间通过Ø60.3 mm×5 mm的进气连接管进行联通。筒体表面仅分布Ø89 mm×6 mm横向集气支管，进气管与横向集气支管之间通过Ø27 mm×3.5 mm的分气管连接。蒸汽在横向集气支管进行换热之后，再次经过分气管流入置于下部的2根Ø114.3 mm×6 mm的凝液管，最终排出系统。

考虑到蒸汽冷凝的问题，筒体下部的分气管尽量布置在最低处。这样的结构形式，不仅规避了原设计结构中进气总管和进气支管处的大开孔焊缝问题和横纵进气支管焊缝问题，而且也很大程度上减小了筒体与半圆管的焊缝处应力。同时，由于进出料口和支撑结构的存在，横向集气支管在相应部位被打断，打断处采用管帽形式，最大程度上减小该处的应力水平。

图3 优化后的干燥机结构图

4 半圆管真空耙式疲劳干燥机有限元分析

4.1 温度场分析

由于干燥机横向集气支管间距固定，根据结构特点，取中部的重点部位进行分析，选取结构中央区域11排横向集气支管以及附近的筒体、进气管、连接管、分气管和凝液管结构，应用ANSYS有限元分析软件对半圆管真空耙式疲劳干燥机建模并进行网格划分，见图4。

图4 半圆管真空耙式疲劳干燥机模型及网格划分

模型总计311 724个单元。由于进、出料口和支撑件对结构温度场影响很小，因此可不作考虑。根据干燥机设计压力载荷和温度载荷下疲劳工况，对结构进行热态和冷态的温度场数值模拟。根据生产实际，整个操作过程中物料与筒体的热对流系数取50 W/(m2·℃)。

结合干燥机工作原理，热态下225 ℃蒸汽进入设备后的热态温度场计算结果见图5。夹套最高温度为225 ℃，筒体温度由外向内递减，进气支管的打断处温度最低，数值为84.15 ℃。在充入100 ℃蒸汽的冷态下，温度分布趋势(图6)与热态相反，进气支管的打断处受热态温度场的影响且附近没有换热条件，此处温度最高，数值为206.86 ℃，夹套温度为100 ℃，筒体温度由外向内递增。

图5 半圆管真空耙式疲劳干燥机热态温度场分布

图6 半圆管真空耙式疲劳干燥机冷态温度场分布

4.2 疲劳分析

根据温度场计算结果，结合冷态和热态下筒体和夹套的操作压力，并忽略重力的影响，对冷热循环的疲劳过程中结构应力强度进行计算分析。

筒体一端加载轴向和周向位移约束，另一端加载相应的端面载荷，数值模拟得到的半圆管真空耙式疲劳干燥机应力分布和危险区域局部应力分布分别见图7和图8。

图7 半圆管真空耙式疲劳干燥机应力分布

图8 半圆管真空耙式疲劳干燥机危险区域局部应力分布

由图7和图8可知，半圆管真空耙式疲劳干燥机的疲劳应力最大值出现在半圆管与筒体的连接处，数值为593.26 MPa。此处半圆管紧临干燥机上部夹套打断处，冷热流体的温差较大，在内压的作用下，变形协调复杂程度很高，在热应力场和机械应力场的同时作用下，产生了很大的结构应力。在半圆管打断处四周，都存在高应力场分布，原因与上述类似。可以看出，在苛刻的操作环境下，结构热应力影响区分布较广，温度分布不连续区域不可避免受到高应力区影响。

在温度疲劳中，由于缺乏温度场造成的热冲击、能量扩散等相关数据，可对疲劳应力数值取安全系数2.0。根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)[17]，对奥氏体不锈钢疲劳应力与疲劳次数的关系进行温度修正，得到的优化之后干燥机在当前疲劳工况下的使用次数超过3 100次，预计使用寿命为7～8 a。相比之前结构，使用寿命大为增加。

4.3 静强度分析

根据设备的设计条件对模型进行设计工况下的强度计算，并对危险部位进行应力分类与评定。主要危险部位为进气总管和连接管的连接处、进气支管管帽和连接管的连接处等。半圆管真空耙式疲劳干燥机危险部位应力评定路径见图9，图9a～图9d所示危险部位分别分气管与进气管连接处、分气管与横向集气支管帽连接处、分气管与横向集气支管连接处、分气管与凝液管连接处。

在评定时，保守考虑，设计应力强度统一按照钢管在设计温度下的数值选取。结构材质为S30408不锈钢，其在设计温度下应力强度Sm为120.4 MPa。半圆管真空耙式疲劳干燥机危险部位应力评定结果见表2。表2中各物理量含义与JB 4732—1995相同。根据JB 4732—1995的有关规定，局部薄膜应力SⅡ不超过1.5Sm，局部薄膜应力与弯曲应力之和SⅢ不超过1.5Sm，一次应力与二次应力之和SⅣ不超过3Sm。从表2可知，结构危险部位静强度校核满足设计条件。

图9 半圆管真空耙式疲劳干燥机危险部位应力评定路径

表2 半圆管真空耙式疲劳干燥机危险部位应力评定结果

5 制造检验条件

干燥机的半圆管宜采用冷成型，如果采用热成型，应在成型后进行热处理恢复性能。每圈半圆管不得拼接，表面不允许存在划伤、疤痕、刻痕及弧坑。半圆管帽最小成型厚度为4.7 mm。

对半圆管夹套的坡口及热影响区，应当按照NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分 渗透检测》[18]进行100% 渗透检测，Ⅰ级合格。

6 结语

横纵交错形式的半圆管夹套干燥机在半圆管焊缝处易产生裂纹从而引起夹套内介质泄漏，多次补焊后问题仍无法得到根本解决，对日常生产造成了严重的安全隐患。在排除腐蚀等破坏机理后，结合实际操作工艺和设备结构设计图样进行了原因分析，并提出了夹套和进气管结构优化改造设计方案，应用ANSYS有限元分析软件对优化结构进行了温度场和热应力疲劳数值分析，依据JB 4732—1995的相关规定对危险部位进行了强度校核。改造后干燥机泄漏问题得到了根本解决，已安全运行超过1 a。此次改造可为半圆管夹套干燥机同类问题的分析和解决提供参考。