许德强,李治国,朱海舟,王守银,黄立龙

(兰州兰石换热设备有限责任公司,甘肃 兰州 730000)

静设备广泛分布在石油化工、电力电站、冶金、食品工业等许多行业,作为这些行业的核心设备之一,其平稳运行也关系着这些行业是否能够正常生产。同时,关注这些静设备在现场的固定方式:通常是通过紧固螺栓与基础、支架等连接,以保证设备在开车状态下的运行平稳。如果选择的紧固螺栓尺寸较小,则在静设备运行过程中,由于设备本体在运行过程中产生的震动,导致紧固螺栓松动,进而引起设备更大幅度的晃动,严重的则会导致设备倾倒,造成人员伤亡、财产损失等严重后果。因此,紧固螺栓的选型是否合理,直接关系着静设备的运行是否能够正常,对于简单结构、外形较为规则设备的紧固螺栓的分析计算,目前市面上存在多款简易单机软件可满足此方面的分析计算或者在相应设备支座标准中已做好了紧固螺栓的选型,设计者只需按标准要求选择紧固螺栓即可。如压力容器中储罐的支座标准NB/T 47065.2—2018《腿式支座》,在相应规格的支座中已经对紧固螺栓规格做出了具体要求。再如管壳式换热器的支座标准NB/T 47065.1—2018《鞍式支座》,在具体形式的支座中已经对所需的紧固螺栓规格做出了详细要求。

如前文所述,设备外形较为规则且具有一定通用性、系列性的静设备,其具有相应标准或相应简易软件进行紧固螺栓的选型。但是近年来,随着化工、电力、供暖、食品等行业工艺路线的不断迭代升级,对于适用于特殊苛刻工况的定制产品的要求逐渐增多,相应的对于通用设备的需求量下降。适用于特殊苛刻工况的定制设备与通用设备结构相比差异较大,外形显示出更多的不规则布局,其本身的结构参数已无法套用通用设备的形式。同时,除了设备本身与通用设备的结构差异大,布置方式更异于通用设备。综合这些明显的差异性,适用于特殊苛刻工况的定制设备且以异于常规方式布置的不规则复杂结构设备,简易单机软件是无法进行分析计算的,同时也无相应标准进行选型,另外目前基本无此方面的研究著述,这一空白之处也正是本文具体研究的方向。

本文以某项目为例,通过有限元法和解析法模拟计算支架螺栓的强度,以保证设备的运行稳定并为不规则复杂结构设备的紧固螺栓选型提供一种新的思路。此项目中的新型焊接式微通道换热器(如图1所示)成套设备由垂直方向上下叠加布置的单体设备、外部管线、支耳及支架等组成。上部和下部的单体设备外形结构不规则,其均由带有微通道的一个换热芯体、一个冷侧进口汇集箱、一个冷侧出口汇集箱、一个热侧进口汇集箱、一个热侧出口汇集箱、两个冷侧进口接管(即冷侧介质由两个冷侧进口接管同时进入设备内部)、两个冷侧出口接管(即冷侧介质由两个冷侧出口接管同时排出设备)、两个热侧进口接管(即热侧介质由两个热侧进口接管同时进入设备内部)、两个热侧出口接管(即热侧介质由两个热侧出口接管同时排出设备)构成。冷侧汇集箱装配在换热芯体冷侧的进出口端头;热侧汇集箱装配在换热芯体热侧的进出口端头。在冷侧汇集箱的进出口分别装配了冷侧进出口接管;在热侧汇集箱的进出口分别装配了热侧进出口接管。此处的换热芯体由带有特殊结构的微型通道的热侧板片和冷侧板片交错叠加构成,在热侧板片和冷侧板片接触的部分进行热交换,按实际工况需求,对冷侧介质进行加热或对热侧介质进行降温。外部管线分为热侧进口管线、热侧出口管线、冷侧进口管线、冷侧出口管线,其主要作用为将外部介质输入到设备内部及将通过设备并完成热交换的介质进行输出。外部管线中的热侧进口管线的前端装配了过滤设备(将介质中的颗粒物进行过滤,保证后端的新型焊接式微通道换热器能够正常运行,不至于堵塞),介质通过过滤设备后,分为两条支路分别进入上部和下部的单体设备。介质通过上部和下部的单体设备完成热交换之后,再分别进入外部管线中的热侧出口管线支路(支路共有两条,与热侧进口的支路结构相同),然后汇总到热侧出口管线中并排出。设备冷侧的介质也是经过同样结构的外部管线后排出设备。

图1 管端力和力矩分布图

此外,垂直方向上下布置的两件单体设备外侧均设置了支耳,支耳上设计了螺栓孔,为长圆孔。 与支耳底部连接的即是支架,支架分为两层,将上部的单体设备和下部的单体设备别进行支撑。上部的单体设备通过支耳支承在支架上,下部的单体设备也通过支耳支承在支架上。同时,支耳与设备支架均以螺栓连接的方式进行固定。

考虑到本设备的外部管线端受力以及有的管道长度超过4 m,可能产生较大弯矩,因此针对支架上起固定作用的8个螺栓受力情况分别进行分析。各管端承受的力和力矩如图1所示。为便于区别各螺栓的受力情况,后续所有分析中模型的放置方向都与图1相同。

针对螺栓网格模型进行细化,共得到网格6 458 293个,单元3 802 522个,如图2所示。

图2 螺栓网格模型图

8个螺栓的编号如图3所示,其中上层分布的螺栓以1开头编号,下层分布的螺栓以2开头编号。

图3 螺栓编号示意图

首先进行预算,初步估计各螺栓位置上的反力大小。简化分析模型如图4所示。在各螺栓孔上施加固定约束,求在管端力和力矩作用下,各螺栓孔上的反力。

图4 螺栓孔反力计算模型图

得到的各螺栓孔反力结果,如表1所示。从表中可以看出,最大剪切力产生在2C螺栓孔位置,其数值达到59.576 kN。

表1 螺栓孔反力计算结果表

表2 材料的相关性质

导入螺栓模型后,针对完整结构进行螺栓受力分析。

1 螺栓材料

螺栓的材料一般使用Q235B。

Q235B的屈服值在235 MPa左右(性能等级4.6),并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小,由于含碳适中,综合性能较好,强度、塑性和焊接等性能得到较好配合,用途最广泛。

2 预紧力矩

由于支架上的螺栓连接对预紧力要求不高,现根据结构以及材料性质校核预紧力。

螺栓的直径为16 mm,材料的屈服强度为235 MPa。

螺栓剪切截面的面积As:

螺栓的预紧力P0:

P0=(0.6～0.7)×σs×As

系数取小值0.6,因此:

P0=0.6σs×As=0.6×235×201.1 N=29 355.1 N

预紧力矩:

Mt=K×P0×ds×10-3=0.2×28 355.1×16×10-3N·m=90.74 N·m

式中,螺栓一般加工表面,无润滑,一般K取0.2。

由表查得普通螺栓拧紧力矩范围是90～110 N·m,如下表3所示。

表3 普通螺栓拧紧力矩

所以,螺栓的预紧力矩符合要求。

3 剪切应力校核

螺杆受剪后的剪切强度条件为:

其中,τQ为螺杆的许用剪切应力;dp为螺杆受剪面直径;m为受剪面个数。

许用剪切应力τB:

由下图5～6所知,最大剪切应力是τmax=56.705 MPa,因此τmax<τB。

图5 螺栓连接的载荷分布

图6 螺栓的剪切应力

综上所述,在剪切应力方面,螺栓符合要求。

4 强度校核

螺栓上的最大等效应分布如图7所示,分布在2C螺栓上。首先利用第四强度理论(形变改变能密度理论)分析,这一理论假设:形变改变能密度vd是引起材料屈服的因素,也即认为不论处于什么样的应力状态下,只要构件内一点处的形状改变能密度vd达到了材料的极限值vdu,该点处的材料就发生了塑性屈服。

图7 螺栓等效应力图

将σ1=σs,σ2=σ3=0代入上式,求出极限值vdu:

式中泊松比v取0.3,弹性模量E取210 GPa。

按照本理论,屈服判据可改写为vdu=vu:

化简为:

许用应力为:

按照第四强度理论所建立的强度条件为:

式中,σ1,σ2和σ3是构件危险点处的三个主应力。

第四强度理论所建立的强度条件可以再次简化成:

式中,是根据强度理论所得到的构件危险点处三个主应力的某些组合。

由下图7知,σr取最大值99.423 MPa188 MPa,因此综上所述,螺栓符合强度要求。

5 结论

从整个分析结果看,螺栓受力均未超过需用极限,仅存在受力分配不均的问题,如第1层的1A和1B,还有第2层的2D等螺栓,受力都比较小;而1层的1C和2层的2C螺栓,受力都相对较大。如果考虑螺栓在长圆孔中(支耳中的螺栓孔为长圆孔)滑动,则受力分布会改善。因此,本文所述方法可以解决不规则复杂结构且叠加布置的静设备的紧固螺栓分析计算问题。