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1、第22卷第1期南京化工大学学报Vol.22No.12000年1月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYJan.2000氨合成塔主螺栓局部受损后的安全评定徐思浩涂善东罗娜(南京化工大学机械工程学院,南京,210009)摘要对氨合成塔的主螺栓的损坏情况作了强度校核,有限元分析和安全性评定,提出可以继续承载的依据和运行中需注意的问题。关键词主螺栓有限元安全评估中图分类号TH123.3现代石油化学工业装备日趋高参数与大型化,2主螺栓损伤情况高温高压设备的价值一
2、般均很大,其局部受损后能否继续安全运行对工厂主要经济目标的实现有直在6个主螺栓中,其中3个受到严重损伤,其接的影响。某化工厂在检修更换氨合成塔触媒时,受伤情况见表1。由于合成塔外套的主螺栓与螺母及合成塔本体均表13个严重损伤的主螺栓已锈死,难以拆卸,最后在不得己的情况下,只能采Table1Threemainboltsbeinglocaldamaged用气割的办法把螺母破坏才把顶盖卸下。尽管气割螺栓损伤的螺纹其中严重损伤的螺纹牙数占所有螺纹之比牙数占所有螺纹之比中十分谨慎,但卸下顶盖后仍发现6个主螺栓均分N
3、o.11340.6%722%别存在程度不一的损坏现象。鉴于氨合成塔是一个No.21753.1%825%高压设备,又是合成氨生产中的关键设备,而主螺No.3825%516%栓亦无法从本体中卸下,因此主螺栓能否继续按原设计要求起到密封和坚固功能,不仅关系到设备的不管那个主螺栓,其严重受伤的螺纹集中在螺安全,也涉及整个生产系统,是一个亟待解决的安栓的所有螺纹的中间部位,均从螺纹底端(见图1)全问题。本文根据螺栓密封的基本原理,作了强度向上数从第10牙至第20牙之间的范围不等。严重及安全储备的校核计算,并根据有限
4、元的分析,对受伤的螺牙,若按齐根切除计算,则每一圈的螺纹该螺栓的安全性进行评定,对螺栓的今后使用和监承载面积(轴向投影)均减少7.2%左右。测提出了建议。1基本参数塔设备内直径:1000mm;设计压力:32MPa;主螺栓规格:M80mm×4mm,数量:6个,材料:35CrMoA;螺纹长度:135mm;图1螺纹受损部位热处理规范:850℃,油淬,550℃回火油冷。Fig.1Damagedpartsofthethread螺母规格:M80mm×4mm;高:102mm;材质:40Mn。⒇收稿日期:1999-07-
5、07⒇第1期徐思浩等:氨合成塔主螺栓局部受损后的安全评定19螺牙上,而第8圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷。3主螺栓强度核算而本文所研究的受损伤主螺栓,其受伤的螺纹牙均从第10圈以后,可见受伤的螺纹牙原来承受的载根据式(1)和式(2),计算主螺栓在预紧状态和荷就很小或者就几乎不承受载荷,因此损伤后,对操作状态时的载荷,取其较大者为设计载荷。螺栓承载能力将不会有多大的影响。sin(T+U)Q0=cDkaqCM(1)cosUc2sin(T+U)Qp=DkP+cDkaq(2)4cosU式中Dk——密封垫接触圆直径;
6、a——计算接触宽度;qCM——预紧时的最大密封比压,取1.5tes;q——工作时最小密封比压,取es。从而得到螺栓的应力约134MPa,其安全系数超过4。根据式(3)、计算螺栓在交变应力作用下的螺[1]纹联接的安全系数:na=eac/ea(3)式中ea——外载荷造成交变应力幅度;eac——e-1螺纹联接的疲劳极限,其中计算如下:eac=Uk·ke图2旋合螺纹间的载荷分布Ur·Xe;该式中e-1——光滑试样拉伸时的疲劳极Fig.2Distributionofloadingbetweenmeshingthre
7、ads限;Ke——有效应力集中系数;Uk——结构强化系为进一步验证上述观点,本文采用有限元法,数;Ur——工艺强化系数;Xe——绝对尺寸系数。对主螺栓作了有限元分析。分析中将螺母和主螺栓计算得na=1.48,其安全裕度也是比较大的。旋合在一起作为分析模型。图3为有限元分析的网格图,采用二维轴对称单元,其中(a)为完好螺栓的4损伤影响分析模型网格图、(b)为局部受损后的网格图,由于螺纹直径较大,牙距较小,螺纹的升角不到1°,其对轴对螺纹联接在交变载荷作用下的破坏,通常是由称条件的影响是微小的,故计算中采用二
8、维轴对称于各螺牙之间载荷分布的不均匀和很高的局部紧单元。在主螺栓与螺母的紧合面上,允许有平行于紧张从而导致螺纹根部凹槽部分形成很高的应力集中而造成。螺栓受到轴向载荷在每个螺牙上并不是均匀分配的,而作用在每圈螺牙上的载荷可用占总载荷[2]的百分比来表示,见表2所示。表2各圈螺纹承受载荷比例(%)Table2Distributionofloadingforeachthread(%)螺纹序号螺纹数12345678910633.722
