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纸机烘缸应力分析及安全评定

- ORCID：
王伟华
- ORCID：
李智慧
- ORCID：
宋利滨
- ORCID：
刘建军

中国特种设备检测研究院，北京，100029

中图分类号： TS734

最近更新：2020-12-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.12.009

摘要

对某企业的纸机烘缸进行定期检验，发现烘缸壁厚减薄量较大以及端盖内壁存在7处不同程度的凹坑缺陷。为安全起见，对纸机烘缸进行整体应力分析和凹坑缺陷部位局部应力分析，结果表明，在工作荷载作用下该烘缸的应力强度满足运行至下一检验周期（3年）的安全要求，整体应力分析和凹坑缺陷部位局部应力分析表明纸机烘缸应力强度满足相关标准中的评定要求。

关键词

纸机烘缸; 减薄; 凹坑缺陷; 应力分析; 安全评定

造纸工业是与国民经济、社会发展以及民生紧密联系的工业^[

1]。造纸生产工艺中，烘缸是纸机干燥部的主要部件^{[参考文献 2

百度学术}2]。某纸业公司1台纸机烘缸已达设计使用年限，按我国特种设备安全技术规范TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，达到设计使用年限的压力容器（未规定设计使用年限，但是使用超过20年的压力容器视为达到设计使用年限），如要继续使用，使用单位应当委托有资质的检验机构参照定期检验的有关规定对其进行检验，必要时进行安全评估。为此，需要对此台烘缸进行定期全面检验，并针对定期检验发现的缺陷进行安全评定，以确定其是否可按原参数继续安全运行^{[参考文献 3

百度学术}3]。本文介绍了对该纸机烘缸的安全评定分析过程和结果，以供参考。

1 烘缸概述

某纸业公司的1台纸机烘缸基本技术参数如表1所示。在对超期服役纸机烘缸进行定期检验的过程中，经宏观检验、壁厚测定、磁粉检测、硬度检测、声发射检测等检验项目，发现该烘缸筒体壁厚减薄量较大以及驱动侧端盖内壁存在7处不同程度的凹坑缺陷。筒体壁厚减薄的原因可能是烘缸使用过程中筒体长期磨削所致^[

4]，而端盖凹坑缺陷为设备原始缺陷，使用至今基本无扩展。筒体壁厚测量数据及端盖内壁凹坑缺陷分别见图1和图2所示。针对以上缺陷，对烘缸进行整体应力分析和凹坑缺陷部位局部应力分析，根据安全评定结果判定该烘缸是否可运行至下一检验周期。

表1 纸机烘缸的基本技术参数表

参数	指标	参数	指标
设计压力/MPa	0.85	容器类别	第一类低压容器
设计温度/℃	177	操作压力/MPa	0.78
公称壁厚/mm	筒体：55 封头：90	操作温度/℃	177
主体材质	Ni-Cr-Mo-FC300	产品标准	压力容器构造规格（平成元年9月30日告示）
容器高/mm	2990	容器内径/mm	Φ3550
容积/m³	27.8	工作介质	水蒸气
		制造单位	日本川之江造机株式会社

图1 筒体测厚示意图

图2 凹坑缺陷形式及部位

2 材料性能参数和有效壁厚的确定

2.1　材料性能参数的确定

该纸机烘缸的材料为Ni-Cr-Mo-FC300，由于无法现场取样进行材料实验，所以评价计算时采用国内同类材料灰铸铁HT300进行代替^[

5]。材料性能参数的取值如表2所示。

表2 评价计算用灰铸铁HT300材料性能数据

弹性模量E/MPa	抗拉强度σ_b/MPa	泊松比ν	许用拉应力[σ]^t/MPa
130000	300	0.25	30

2.2　有效壁厚的确定

经与使用单位协商，预计下一检验周期为3年，根据图2中纸机烘缸壁厚测定的实测数据，得出评价计算用纸机烘缸的有效壁厚如表3所示。由于此有效壁厚是在假设减薄速率不变的前提下得出，因此纸机烘缸继续运行期间应对减薄速率进行定期监控，以保证其最小壁厚大于有效壁厚（47.46 mm）。

表3 纸机烘缸的有效壁厚

设计壁厚 $δ_{i} m m$	实测最小壁厚 $δ_{m i n} m m$	使用期内的壁厚减薄量 $δ_{c} m m$	壁厚减薄速率 C/mm·a^-1	下一检验周期内壁厚减薄裕量 $C_{n e x t} / m m$	有效壁厚 $δ_{e i}$ /mm
55	48.3	6.7	0.28	$0.28 \times 3 = 0.84$	47.46

设计壁厚

$δ_{i} m m$

实测最小壁厚

$δ_{m i n} m m$

使用期内的壁厚减薄量

δ_{c} m m

壁厚减薄速率

C/mm·a^-1

下一检验周期内壁厚减薄裕量

C_{n e x t} / m m

有效壁厚

δ_{e i}

/mm

48.3

6.7

0.28

0.28 \times 3 = 0.84

47.46

注：

使用期为本次检验日期减去投产日期，为24年。有效壁厚 $(δ_{e i} = δ_{m i n} - C_{n e x t})$ 。

3 应力分析

3.1　不含凹坑缺陷烘缸应力分析

3.1.1　不含凹坑缺陷烘缸有限元模型

根据纸机烘缸结构的几何对称性和工作载荷的对称性^[

6]，取纸机烘缸结构的1/2进行建模，其中筒体厚度及操作侧、驱动侧的端盖厚度取表4中的有效厚度，设备加强筋的尺寸和位置根据原始竣工图尺寸确定。分析时选用四面体10节点单元模拟纸机烘缸结构。整体网格尺寸30 mm，划分后的网格共含有单元322983个，节点560296个。不含凹坑缺陷纸机烘缸有限元分析模型及网格如图3所示。

表4 凹坑缺陷表征尺寸

凹坑编号	最大深度/mm	最大外接圆直径/mm	位置
1^#	4	8	端盖内侧
2^#	2	5	端盖内侧
3^#	2	5	端盖内侧
4^#	5	5	端盖内侧
5^#	2	5	端盖内侧
6^#	1	5	端盖内侧
7^#	1	10	端盖内侧

图3 不含凹坑缺陷纸机烘缸有限元分析模型及网格

3.1.2　边界条件

（1）位移边界条件

(a) 传动侧轴上固定3点限制刚体位移。

(b) 纸机烘缸对称面上施加对称位移边界条件。

（2）力边界条件

在纸机烘缸内表面施加0.78 MPa均布工作载荷。

3.1.3　不含凹坑缺陷纸机烘缸应力分析及安全评定

由于该纸机烘缸材质为Ni-Cr-Mo-FC300，因此仅需对烘缸的拉应力进行校核。图4为工作载荷作用下纸机烘缸拉应力云图。

图4 工作载荷作用下不含凹坑缺陷纸机烘缸拉应力云图

沿筒体壁厚方向对划分路径进行线性化处理，筒体线性化路径如图5所示。

图5 不含凹坑缺陷纸机烘缸筒体线性化处理结果

从图4中可以看出，工作载荷作用下纸机烘缸筒体与端盖不连续部位的最大局部应力为82.429 MPa，不超过灰铸铁HT300许用拉应力的3倍（90 MPa）；从图5可以看出，工作载荷作用下纸机烘缸筒体上最大拉应力为29.815 MPa，小于灰铸铁HT300的许用拉应力30 MPa；最大局部应力及最大拉应力均满足QB/T 2556—2008《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》的相关规定。

3.2　含凹坑缺陷烘缸应力分析

3.2.1　含凹坑缺陷烘缸有限元模型

根据现场检验宏观检查情况，7处凹坑缺陷的表征如表4所示。

含凹坑缺陷纸机烘缸建模仍取其结构的1/2，同时根据表4中凹坑缺陷数据，建立含凹坑缺陷纸机烘缸有限元模型，分析时选用四面体10节点单元模拟纸机烘缸结构。由于上述7处凹坑缺陷尺寸相对较小，相比凹坑结构尺寸，彼此之间的距离相对较远，且模拟主要针对缺陷部位应力情况，因此划分网格时，整体网格尺寸50 mm，凹坑部位单元网格进行细化处理，划分后的网格共含有单元171371个，节点289199个。含凹坑缺陷纸机烘缸有限元分析模型及网格如图6所示。

图6 含凹坑缺陷纸机烘缸有限元分析模型及网格

3.2.2　边界条件

（1）位移边界条件

(a) 传动侧轴上固定3点限制刚体位移。

(b) 纸机烘缸对称面上施加对称位移边界条件。

（2）力边界条件

在纸机烘缸内表面施加0.78 MPa均布工作载荷。

3.2.3　含凹坑缺陷部位应力分析及安全评定

图7为工作载荷作用下含凹坑缺陷纸机烘缸应力云图。从图7中可以看出，工作载荷作用在7处凹坑缺陷最大局部应力出现在1^#凹坑缺陷部位，其最大局部应力为55.035 MPa，未超过灰铸铁HT300的许用拉应力的3倍（90 MPa）。

图7 工作载荷作用下含凹坑缺陷纸机烘缸应力云图

4 结　论

4.1　对纸机烘缸进行整体应力分析和凹坑缺陷部位局部应力分析。结果表明，在3年检验周期内，纸机烘缸的应力强度均满足相关标准中的评定要求。

4.2　基于评价结论，该纸机烘缸可在操作压力不高于0.78 MPa、壁温不高于177℃条件下继续运行，继续运行期间应禁止超温、超压，且使用单位应加强监控，避免压力剧烈波动。

4.3　该纸机烘缸继续运行期间应定期监控其壁厚减薄速率，保证其最小壁厚大于47.46 mm。当实际壁厚减薄速率大于0.28 mm/a或壁厚最小值小于47.46 mm时，应重新对其进行评定。

参考文献

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CPP [百度学术]

纸机烘缸应力分析及安全评定

摘要

关键词

1 烘缸概述

2 材料性能参数和有效壁厚的确定

2.1 材料性能参数的确定

2.2 有效壁厚的确定