稳压器人孔密封结构疲劳分析

高永建

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

0 引言

承压设备在服役条件下，由于间断操作和开停工、温度变化、运行工艺压力波动以及外加载荷的反复变化等原因，使其承受交变载荷的作用，往往会发生疲劳破坏。据统计，承压设备破坏事故中有40%～50%的事故是由疲劳裂纹引起的[1-6]。世界上最早的压力容器疲劳设计规则出现于ASME B&PVC-Ⅲ[7],Ⅷ-2[8]，其设计方法是以Langer等[9-10]的研究成果为基础的。中国通过借鉴ASME B&PVC-Ⅷ-2等国际规范并结合本国的工业实践，编制了分析设计标准JB/T 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》，其中包括疲劳设计的内容。

某核电试验验证台架的承压设备按GB/T 150—2011《压力容器》进行设计，其中稳压器在设计寿期内将承受压力和温度的循环载荷，因此需考虑其发生疲劳失效的可能性。GB/T 150.1—2011中第4.3.1节规定：对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准进行设计，并按JB/T 4732附录C补充疲劳分析和评定。

本文应用ANSYS有限元软件建立稳压器人孔密封结构(以下简称人孔密封结构)的轴对称有限元模型，并根据JB/T 4732—1995(2005年确认)(以下简称JB/T 4732)附录C的相关规定进行疲劳分析和评定，为保证人孔密封结构在设计寿命内的结构完整性提供依据。

1 分析方法

人孔密封结构的应力主要来自于温度、压力和螺栓预紧载荷。疲劳评定考查的是设备在所有载荷同时作用下的许用寿命是否满足设计寿命。因此，计算得到准确的各载荷作用下的应力结果是疲劳评定的重要依据。

首先，为了能准确地模拟螺栓的预紧载荷，需要在模拟螺栓的单元上施加一个初始应变，并经迭代计算使得预紧载荷恰好等于其设计预紧载荷，并将此时的应变作为螺栓上最终施加的预应变；其次，根据用户设计规范书中给出的设计瞬态，通过ANSYS有限元程序对人孔密封结构进行瞬态热分析，得出瞬态各时刻下的温度场结果；最后，将热分析结果读入应力分析模型，并将对应的压力载荷施加到模型内表面，同时对螺栓施加预应变，通过计算得到由压力、温度和预紧载荷产生的应力。该应力结果用于最终的疲劳评定。

2 有限元模型

2.1 几何结构和材料

稳压器的设计压力20 MPa，设计温度380 ℃。人孔密封结构主要由人孔盖、人孔座、螺栓、螺母和垫片等组成,如图1所示。人孔座和人孔盖材料为20MnNiMo Ⅳ,螺栓材料为25Cr2MoVA,人孔盖堆焊层材料为S30408。上述材料的性能参数如表1所示。20MnNiMo Ⅳ和25Cr2MoVA材料的设计疲劳曲线分别取自JB/T 4732附录C中的图C-1，C-4。

图1 人孔密封结构剖面图

表1 20MnNiMo Ⅳ,25Cr2MoVA,S30408三种材料的性能参数

(续表1)

2.2 有限元模型

2.2.1 结构分析模型

考虑到人孔密封结构在几何尺寸和载荷加载上的轴对称性，采用ANSYS有限元程序，对人孔密封结构建立轴对称模型，如图2。模型包括筒体、人孔座、人孔盖(包括堆焊层)、螺栓和螺母。模型中除螺栓和螺母外的部件使用Plane 42二维轴对称结构单元，采用二维结构弹性梁单元Beam 3模拟螺栓和螺母，采用Conta 171二维2节点面面接触单元及Targe 169二维目标单元模拟人孔盖与人孔座之间的接触关系。为模拟螺栓/螺母与人孔盖、人孔座之间的接触，采用约束方程将相应节点的自由度进行耦合，如图3所示。

图2 人孔密封结构有限元模型及边界条件

图3 结构分析时的约束条件

模型的边界条件为在其端部施加法向位移约束。为模拟人孔盖上的螺栓孔，根据文献[11]，将开孔区域视为各向异性材料的等效圆环，等效计算如下。

螺栓中心孔所在半径Rm=355 mm;螺栓开孔半径Rhole=26 mm;螺栓个数N=20 mm;螺栓孔外侧所在半径R2=Rm+Rhole=381 mm;螺栓孔内侧所在半径R1=Rm-Rhole=329 mm。

螺栓孔等效区域内的径向(X)和轴向(Y)等效弹性模量与材料固有弹性模量之比：

螺栓孔等效区域内的径向(X)和轴向(Y)等效弹性模量：

EX=EY=ChE

式中E——材料固有弹性模量。

由于螺栓孔的存在，螺栓孔等效区域在环向是不连续的，因此环向(Z)等效弹性模量假定为一个较小值：EZ=1 MPa。

泊松比：υxy=0.3,υyz=vzx=0

剪切刚度：

2.2.2 热分析模型

热分析模型中,螺栓和螺母使用Link 32二维热传导单元,其余部件使用Plane 55二维轴对称热传导单元。对螺栓孔等效区域内材料的热传导系数按如下公式进行折算：

Tc=ChTc0=0.634Tc0

式中Tc0——材料原始热传导系数；

Tc——等效热传导系数。

模型的约束条件见图4。螺栓孔等效区域内的单元节点通过控制方程与螺栓的Link单元节点建立关系，使Link单元的节点温度等于同一高度处螺栓孔等效区域节点温度的平均值。热分析中没有定义接触，各部分区域重合的节点将其温度进行耦合。假定模型内表面与介质之间为强迫对流换热，对流传热系数取10 000 W/(m2·℃)；模型外表面假设为空气的自然对流，对流传热系数取20 W/(m2·℃)，温度假设为20 ℃。

图4 热分析时的约束条件

3 载荷条件

人孔密封结构的设计瞬态如表2所示，循环次数为2 000次。螺栓拆装操作的发生次数为100次，单个螺栓的设计预紧载荷479 600 N。

表2 人孔密封结构的设计瞬态

4 分析与评定

根据JB/T 4732表5-1，按疲劳设计的设备需要依次校核一次总体薄膜应力强度SⅠ，一次局部薄膜应力强度SⅡ，一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ，一次加二次应力强度SⅣ和峰值应力强度SⅤ。考虑到一次应力强度(SⅠ，SⅡ，SⅢ)已在设备强度计算书中校核，故本文仅需对一次加二次应力强度SⅣ和峰值应力强度SⅤ进行评定，其中SⅣ评定是为了保证结构的安定性，SⅤ评定是为了防止结构的疲劳破坏。

4.1 人孔盖和人孔座

根据JB/T 4732附录C的C.2对人孔盖和人孔座进行疲劳分析。

根据GB 150.2—2011，20MnNiMo Ⅳ的常温抗拉强度为620 MPa，分析时设计疲劳曲线保守取为附录C图C-1中两条曲线的较低者。

在人孔盖和人孔座区域选取典型的应力评定截面，共计7个，如图5所示，图中ASN(Analysis Section Number)代表分析截面编号。

图5 应力评定截面

一次加二次应力强度SⅣ评定结果如表3所示，SⅣ的限值为3Sm(Sm为正常工作循环时最高与最低温度下材料Sm的平均值)，本文Sm保守取为20MnNiMo Ⅳ在设计温度380 ℃下的设计应力强度(230 MPa)，表3示出所有路径上的一次加二次应力强度SⅣ均小于限值3Sm，因此SⅣ评定满足JB/T 4732的要求。

表3 一次加二次应力强度范围汇总

累积疲劳使用系数U的计算过程与一次加二次应力强度的计算过程相似，不同的是在评定位置处采用总应力强度(一次加二次应力加峰值应力)进行计算。根据JB/T 4732附录C的相关规定，利用ANSYS软件的疲劳分析模块对每条路径内外壁的U进行计算，计算结果见表4，所有U均小于1.0的限值，满足JB/T 4732的要求。

表4 累积疲劳使用系数U

4.2 螺栓

根据JB/T 4732附录C的C.5对螺栓进行疲劳分析。通过计算得到螺栓在设计瞬态各时刻下的拉伸应力和最大应力极值，如表5所示。

表5 螺栓在设计瞬态各时刻下的应力极值

从表5可以看出，螺栓边缘应力最大值为355.25 MPa，小于2.7Sm(186 MPa×2.7=502 MPa，186 MPa为400 ℃下螺栓材料的Sm)；螺栓拉伸应力最大值为340.68 MPa，小于2Sm(186 MPa×2=372 MPa)，因此采用JB/T 4732附录C图C-4中≤2.7Sm的设计疲劳曲线。另外，对于螺栓还需考虑4.0的疲劳强度减弱系数。

螺栓拆装操作的发生次数为100次，文中分析时认为拆或装各为1次应力循环，因此螺栓预紧力的循环考虑为200次。螺栓的疲劳计算过程如下。

螺栓的应力主要来自于预紧力，因此对于螺栓的疲劳分析，需要考虑以下2类应力组合：非预紧状态和预紧状态之间的组合以及预紧状态下瞬态不同时刻之间的组合。

对于非预紧状态和预紧状态之间的组合，根据表5，螺纹部位最大应力为355.25 MPa，取疲劳强度减弱系数为4.0，则与螺栓非预紧状态(零应力状态)组合得到的应力强度范围为1 421 MPa。根据JB/T 4732附录C图C-4中的设计疲劳曲线，同时考虑弹性模量修正，计算得到许用循环次数N1=718次，实际循环次数n1=200次，因此疲劳使用因子CUF1=n1/N1=0.280。

对于预紧状态下、瞬态不同时刻之间的组合，计算得到其最大的组合应力强度范围为114.11 MPa(355.25-241.14 MPa)，考虑疲劳强度减弱系数，则预紧状态下瞬态不同时刻之间的最大应力强度范围为456.44 MPa，根据设计疲劳曲线，同时考虑弹性模量修正，计算得到许用循环次数N2=7 544次，实际循环次数n2=2 000次，因此疲劳使用因子CUF2=n2/N2=0.265。

综合上述分析，螺栓总的累积疲劳使用因子CUF=CUF1+CUF2=0.545，小于限值1.0，满足JB/T 4732的相关要求。

5 结语

应用ANSYS有限元软件建立人孔密封结构的轴对称有限元模型，先后对其进行了热分析和结构应力分析，最后根据JB/T 4732附录C的相关规定对承压边界和螺栓进行疲劳分析和评定。本文为保证稳压器人孔密封结构在设计寿命期间的结构完整性提供了依据，其方法也广泛应用于承压设备人孔密封结构的疲劳分析中。