大型氮气往复压缩机组缓冲罐接管开裂原因分析与改造.pdf

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1、792化T机械2012正摘方关由大型氮气往复压缩机组缓冲罐接管开裂原因分析与改造4张淼”杨国安(北京化hT大学机电工程学院)要对缓冲罐接管开裂原因进行了全面分析，通过ANSYS进行仿真模拟，提出切实的可行的整改案。键词缓冲罐裂纹悬臂梁加强筋最大主应力图分类号+Q051．2l文献标识码B文章编号0254-6094(2012)06-0792-05某氮气往复压缩机组自开工以来一直存在着机组缸体支承、缓冲罐、分离器和管线振动过大问题。厂方前后整改多次，整体管系振动仍然十分严重，多次出现振裂及螺栓振断现象，前后开裂间隔不足1周，有时甚至是几个小时，严重影响企业生产。

2、经过对机组及附属装置进行全面的声学和应图1二级吸入缓冲罐开裂位置力分析，提出切实可行的整改方案，从源头消减了气流脉动幅值。振动烈度从最大98mm／s降到18mm／s，机组振动问题得到缓解。但二级吸人缓冲罐封头处仍会间隔一段时间再次发生开裂，笔者针对缓冲罐封头接管区域开裂原因进行分析。1设备基本情况开裂位置如图1所示，设备简图如图2所示。设备技术参数见表1。图2二级吸入缓冲罐设备简图I——加强筋；2——阻尼接管；3——筋板：4——接管；5——椭球形挡板；6——筒体表1设备技术特性{国家自然科学基金(50875016)。*·张淼，女，1988年3月生，硕士研究

3、生。北京市．100029。第39卷第6期化_T：机械7932开裂原因分析氮气经一级压缩进入冷却器，再经由分离器进入二级吸人缓冲罐，如图3所示。裂纹产生在缓冲罐接管表面的加强筋与封头连接处，走向垂直于加强筋，且具有疲劳裂纹特性。管系中的交变载荷通常是由气流脉动产生的，但是管道振动问题在前一次改造过程中已得到改善，并且振动值控制在标准范围内，因此，气流脉动引起的振动对于缓冲罐封头接管处再次开裂不再是主导。图3缓冲罐正常服役状态开孔接管区域的应力情况非常复杂．开孔破坏了材料的连续性，削弱了原有的承载面积，住开孑L边缘附近造成应力集中’1J。接管的存在使得开孔接管

4、成为总体不连续区。同时，加强筋补强通过焊缝连接，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成局部结构的不连续，形成局部不连续应力。不连续区往往是压力容器的高应力区，加强筋的焊接区域紧邻开孔补强区域，不连续应力已经存在，同时多次补焊又使得高应力区的宽度增加‘2，如图4所示，这些因素的综合作用导致图4封头接管处多次补焊痕迹加强筋附近区域应力集中情况更』JIJ严重，缓冲罐开裂现象频繁发生。现场观察地基存在下沉现象．如图5所示。地基下沉导致水泥生根、分离器及与其相连接的管线重量全部施加到缓冲罐封头接管处。缓冲罐靠近接管处的一端通过立柱支撑，封头相当于一悬臂梁结构3，

5、凶此，封头接管处承受很大的弯曲应力。虽然通过整改，气流脉动已控制住标准限内，但由于往复压缩机工作原理所致气流脉动1i可能完全被消除。因此，封头接管处受有静拉乃和交变应力双重作用，如图6所示。图5曾发生断裂的分离器支座图6缓冲罐工作状态下的悬臂梁特征综卜．所述，结构不连续和地基F沉是导致缓冲罐接管处频繁开裂的主要原因。3有限元分析容器开孔接管区域的应力状况非常复杂，对这类应力的求解也是相当复杂的，工程上常采用应力集中系数法、有限元法或实验测试法来分析计算局部应力。笔者采用有限元分析法对开孔接管处的应力情况进行校核及验证。3．1模雄J建立缓冲罐简体材料为Q34

6、51t，管道材料为20号794化工机械钢，力学性能见表2。表2模型材料力学性能3．2网格划分因模型复杂，为保证网格质量，以六面体网格划分为主四面体网格为辅，对模型进行网格划分，网格单元偏度及纵横比均在合格范围内，划分结果如图7所示。图7二级吸入缓冲罐网格划分结果3．3边界条件的施加及求解有限元分析的目的主要是了解模型对外加载倚的响应。正确地识别和定义载荷，并有效地实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步‘”。对筒体和接管内表面施加设计压力载荷(1．28MPa)，边界条件及加载情况如图8所示。求解得到并显示第三强度最大切应力云图，如图9所示。可看出最大应

7、力540．17MPa出现在卜．补强筋与简体连接处，严霞超过了材料的屈服极限"‘。图8模型载荷加栽示意图'140．17Max480．16420．16360．15300．14240．13180．13'L20．1260．113O．10557Min2012矩图9应力强度云图(改造前)3．4应力评定从图9中可以看出，在f：、下筋板与筒体和接管连接处，产生了较大的应力集中，卜筋板连接处更为严重。最大应力为540．17MPa，超过了钢板材料许用应力值。但这不能评定为不满足强度要求，因为结构存在不连续区域，应根据JB／T4732-1995的观点对计算进行分析和评定∽。。典

8、型的评定截面通常应包括由机械载荷在结构不连续部位产生的、有较高应力