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回转烘干机凸缘接头螺栓连接的疲劳分析

摘要

本文研究化工厂中回转烘干机的疲劳破坏。在工作状态下，要求烘干机以每分钟两周半的转速持续旋转。大型滚筒的壳结构由壳单元通过环形螺栓凸缘连接组合而成。由于干燥器的总重量，各个接头在工作时容易受到弯矩作用。在投入使用的头两年，会因疲劳产生微小的裂纹。通过《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 2》和《EN 13445 Unfired Pressure Vessels Part 3 Codes》中给定的疲劳曲线分析这些破坏。最后，凸缘接头将从滚筒鼓体上移除，采用在有限元计算和疲劳计算中得到更好结果的新的适应对接焊缝的圆柱形部件。

关键词：疲劳破坏分析；焊缝疲劳曲线；有限元分析；寿命预测

Abstract

This paper describes the fatigue failure of a rotary dryer in a chemical plant. The process conditions required the dryer to be rotated continuously at a speed of about two and half revolutions per minute. The shell structure of this large drum is formed by combining segmented shell parts using bolted ring flange joints. Because of the gross weight of the dryer in operation time, each joint was subjected to bending moment. In the first two years in service, microcracks were occurred by fatigue. The failure was analyzed using the fatigue curves given in ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 2 and EN 13445 Unfired Pressure Vessels Part 3 Codes. Finally, flange joints were removed from the drum and new cylindrical

parts adapted to the drum using butt welding after reaching better results in FEM and fatigue calculation.

Key words：Fatigue failure analysis；Weld fatigue curves；Finite element analysis；;Life

prediction

第一章 概述

1.1背景

图1是化工厂中回转烘干机的示意图。回转烘干机主体是一个直径3.7米，长28米的旋转圆柱壳。由于其1°18的倾斜角和升降器系统，使机体内的产物和130度的热气充分混合。通过这种方式，材料慢慢被干燥，全湿度的气体由风扇抽离烘干机直至真空。

本机外壳由18mm厚的碳钢板构成。建造过程中分成三个部分通过法兰连接焊接而成 每个壳分段的所有接头通过全渗透对接焊接。托环和矢圈下的壳体厚度更大。完全组装后，壳体的

同心度在整个长度加减5mm的范围内。壳结构由两组轮胎和滚轴支撑在从壳体任意一端起五分之一长度处。一对轴向推理轴保持转体沿正确的轴向位置。通过一对矢圈和一系列小齿轮驱动。矢圈环由铸钢制造，通过加工出的牙齿和壳体上由软钢打造的连接臂啮合。

在大型烘干机中，有必要采用法兰连接的分段壳体。操作时的平均总重约在160t。滚筒以每分钟两周半的转速旋转。这意味着螺栓连接法兰接头将受到圆柱体壳体的弯矩。

我们看到，如果鼓体转过180度，通过焊缝的应力将会颠倒；如果转过另一个180度，应力又会回到初始值。这意味着没转过一周，焊缝应力将会经历一个完整的疲劳载荷周期。疲劳周期的数目根据操作期间的焊接经历近似给出，约为： 2.5*60*24*365*2*0.9 = 2.4*106。考虑滚筒持续使用90%的时间，这是0.9利用率的标准允许的。这是一个很大的循环数字，因此推测焊缝因高周疲劳导致破坏。

图1 化学容器示意图

1.2建造细节

图2是回转烘干机中的法兰接头的细节。在抵达化工厂前，制造商将分段壳体焊接到法兰盘上。在工厂的滚筒组装阶段，壳体分段通过螺栓连接在一起，最后封焊。法兰接头在管状部分或者组件之间正连接的情况下使用，是由于技术上和经济上不适合焊接时的另一种选择。这些法兰接头将承受动态和静态极限荷载。旋转滚筒往往尺寸很大，标准的管状法兰在这样的尺寸要求下并不适用。大尺寸法兰可由环形环板轧制。烘干机的环凸缘由S-275 JR结构钢制成。单舌和对接法兰的槽特征导致壳体分段安装在同一轴线上并且减轻了螺栓荷载。凸缘对的凹槽和凸起深度分别为6mm和4mm，凹槽和凸起间2mm的间隙是为了确保滚筒弯矩的实现。接头中使用的螺栓分别为5.6质量和M30*120。组装期间的螺栓预紧力216KN。壳体和法兰环之间的角焊缝焊脚为12mm。接头的另一焊缝尺寸如图2所示。

图2 螺栓环法兰接头示意图

1.3破坏细节

使用两年后，焊接在壳体上的环凸边缘外表面上可以观察到裂纹。多条裂纹在环凸表面的焊脚处启动。最初的缺陷后来演变成通过凸缘本身的整个界面并轴向延伸至相邻壳表面的裂纹。没有足够的时间来修复裂纹，通过在裂缝尖端钻孔来减少应力集中。在工厂的停工期间，出现的裂纹通过焊接来修复。然而裂纹修复后，开裂问题仍在接头未修复表面和已修复的区域持续。焊补是一种热操作，虽然使用了特殊的镍合金电极，由于高温电弧和焊缝附近区域快速冷却造成冶金变化，在熔融金属冷却和收缩期间和之后，产生内应力和失真。滚筒接头区域测定的变形因为常年焊补修复增加至20mm。

图3 法兰连接处的裂缝示意图

第二章 接头疲劳强度

图4给出了欧洲标准SC-13445 [3]下钢结构焊接和接头的疲劳设计曲线。因为焊接和接头类型的疲劳强度是敏感的几何形状，这个标准将常见类型的焊缝和接头分成若干类，每一种都有自己的疲劳曲线。单曲线标注类UW适用于非焊接区域。主要焊缝类型的几何形状如图4所示。设计曲线给定了焊缝和接头具有99.5%生存可能性并用于设计的应力水平。在零胁迫条件下用传统方式获得未产生裂纹组件的疲劳数据。当平均应力不是0时，古德曼规则表示疲劳强度必须根据取决于平均应力值的因子校正。而对烘干机的焊缝和接头不需要进行如此的校正，它们的疲劳强度假定只取决于施加的应力范围。做出这个假设的原因是，焊缝通常含有屈服量级的拉伸残余应力。因此，如果焊缝在第一个疲劳周期的第一个四分之一期间经受拉伸荷载，它将张力屈服并且适应。所有后续的变形将是弹性的，焊缝的最大循环应力等于拉伸屈服应力。因此焊缝的疲劳强度不会受到任何程度上施加的拉伸荷载影响。

第三章 疲劳分析

3.1初步评估

图5给出了松散型法兰接头设计笔记。笔记中的“tn”和“tc”尺寸相当于角焊缝壳体和焊喉的标称厚度。烘干机的壳体厚度为18mm。基于该值，参照图5我们可以看到烘干机接头“c”的尺寸是19mm，而这个尺寸应是壳体厚度的一半，即最大值是9mm。根据ASME规范，接头部分的焊脚为12mm，焊喉尺寸为8.5mm。这个值也比根据规范计算的喉部尺寸12.6mm较小。根据规范EN 13445，滚筒环状法兰接头的也被归类为部分穿透。图6中，由于环状法兰的焊喉尺寸小于0.8*壳厚度，烘干机接头设计被分类为32。因为烘干机接头的疲劳寿命大约是2.4*106,根据方程1，疲劳设计曲线的基准应力范围为30MPa以下。我们可以看到，32级连接接头需承受30MPa的应力范围，使之在2.4*106个周期后破坏。因此，法兰盘的应力范围必须已经接近最大值30MPa。

图4 结构钢焊接接头疲劳曲线

3.2焊缝几何修正

疲劳裂纹容易发生在焊脚由于焊缝几何几何形状导致应力集中的应力强化部分，但是裂缝发生的主要原因是内在缺陷的存在。焊缝疲劳破坏的发生容易从焊脚开始，所以可以通过局部机械加工或者打磨焊脚，减少应力集中和删除固有的缺陷来增加疲劳寿命。焊脚打磨方法从部分松散型联合渗透到图6中的全面渗透。提高焊缝等级的替代方法是使用更大的角焊缝焊喉尺寸。为了获得抗疲劳焊脚和焊根，喉部尺寸就必须增加8.5mm至21mm，通过这种方式可以将焊缝尺寸从23提高到63。

第四章 有限元分析

一旦定性的故障分析已经完成，需要开始对焊缝和法兰盘区域上的应力进行有限元分析。弹性的解决方案和有限元应变计算应考虑几何非线性大位移的发生。子模型利用全球通用的组件或结构，最初的局部粗糙网络模型应考虑所有应力集中；之后的子模型仅考虑局部区域的应力集中，单用一个精致的网格以返还一个收敛的结果。使用一个简化的三维几何模型近似分析，以在ANSYS生成数据衍生物形式的模型网格结构。元素类型采用8节点六面体单元，适用于壳模型。模型中使用的元素和节点的数目分别是1337110和968273。对环形凸缘接头引入局部应力集中时，可以发现最大主应力在联合的每个部分的位置的变动。应力波动如表2所示。在滚筒的旋转过程中，我们可以看到，最大的应力值发生在底部的部分。膜理论在长圆柱壳体的应力分析中是不适用的。相反地，半膜理论已经在圆柱壳和不一致的应力波动所遇到的圆周干燥器壳体的结构分析中被广泛采用。半膜理论的适用基于以下假设：弯曲和扭曲在部分正常的壳发生器阶段可以忽略不计。这意味着，正常的应力被假定为均匀分布在每一节，垂直于壳厚度到外壳的纵向曲线；周向应变和应变在中表面可以忽视；泊松比为0。

图8描述了经滚筒中间截面的正应力sigma;1面

。参照表2和图9中，我们可以看到法兰盘的应力波动约为45.5MPa。这个

2.4*106次循环后，应力范围为30MPa。因此，接头的法兰已受到

应力范围约为限度的1.5倍。事实上，接头上的小尺度裂缝发生在大约

7 *105周期。

图5 松散型法兰接头设计说明

第五章 联结点修正

因为鼓的连接区域在临近外壳区域的变形程度上升到20mm，它被认为截断了1米长的包括了环形凸边连接点的外壳区域。用这个方式，它被用来去除压力集中设计并用来连接直圆柱体外壳来代替它们。与干燥机外壳使用了相同材料的新的圆柱体部分被完全渗透但是熔断地装配在了干燥剂的外壳机构上。

焊接点的细节和它们按照主要的压力范围分类的相关装配使用分类在EN13445准则的表P.1到P.7中列出。根据图10，完全渗透对接焊缝范围包括焊接修补有一个分类90.我们可以看出一个分类90号的焊接点能够永恒地完好下去，只要压力范围在一个标准大气压下低于66.3兆帕。

相关的潜在的故障模式的焊接细节的疲劳强度是由从焊趾或焊接表面开裂都在邻近裂缝起始位点的母体金属表面上的主应力范围来表示的。在有限元分析中，我们可以看出，最大主应力应力是约在16兆帕如图11所示。这些压力波动小于63兆帕限制水平，并且这是在安全范围内的。

最后，旋转干燥器在接头区域的位置进行修正（如图12）。充分渗透对接焊接过程之后，染料渗透和超声波能被使用，并没有发现任何在焊接上的缺陷。

图6 节理节理分类

图7 表2提到的位置

图8 在滚筒中间截面的正应力sigma;图

图9 position-3环的法兰接头的有限元模型

图10 全焊透对接焊缝分类

图11对改性后的滚筒壳体对接焊缝有限元模型（a）和（b）路径创造探讨应力（c）最大主应力的有限元模型的对接焊接段（d）周围的对接焊缝周围的应力波动。

图12 烘干机的改造

第六章 结论

部分渗透对接焊缝和槽式密封面法兰盘结合点不应该被用来传导张力或者焊接点的纵向弯曲力矩。根据标准，研究槽式密封法兰盘结合点时，可以看出被用在干燥剂里的槽式密封面法兰盘结合点的设计本身和焊接点的尺寸并不合理。如果螺栓拴的槽式密封面法兰盘正如活套式法兰类型被用在旋转式外型结构之中，法典中所描述的全熔透连结点设计应该被采用。

参考文献

[1] D.R.H. Jones, K.A. Macdonald, Fatigue failure of a rotating chemical vessel, Eng. Fail. Anal. 3 (2) (1996) 77–93.

[2] British Standards Institution, BS 5400, Steel, Concrete and Composite Bridges: Part 10: Code of Practice for Fatigue, 1980.

[3] The European Standard, EN 13445, Unfired Pressure Vessels: Part 3: Design, 2002.

[4] American Society of Mechanical Engineer, ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Rules for

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