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摘要：介绍了收集器的工作原理，根据收集器的操作工况和设计参数，并按照JB4732-1995（R2005）的相关要求，利用Ansys软件进行有限元分析、应力线性化评定以展开零部件的应力校核。本文可为类似疲劳设备的分析校核提供参考。
关键词：收集器；应力分析；疲劳分析；Ansys
1 概述
硅粉收集器利用在氮气的喷吹作用下实现不同大小硅粉颗粒的分离，在升压时较小直径的硅粉颗粒浮起，较大直径的硅粉颗粒在重力作用下落入收集口进行收集。某公司多晶硅项目中的硅粉收集器主要受压元件材料壳体为SA516 Gr.70N正火板，接管材质为SA106 Gr.B，介质为H2、硅粉、氯硅烷，操作压力范围为0~0.7MPa（G），每天操作4~6次，年操作天数为300天，许用循环次数为18000（10年）。设备内直径为1400mm，筒节高度900mm，设计压力为1MPa，设计温度190℃，腐蚀裕量2mm，焊接接头系数1.0，其结构示意见图1。
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图1 硅粉收集器简图
2 结构设计
按照JB4732-1995（R2005）第7章的条款，对收集器进行零部件的强度校核和应力指数法的厚度估算，计算方法分为两种工况：①设计工况，Pc=1.0MPa；②循环工况，△Pc=0.7MPa。具体计算过程如下：
2.1椭圆形封头计算
①按设计工况计算：
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查JB4732-1995（R2005）图7-1，
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，
则
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；
②按应力指数法估算：
由于标准椭圆形封头的球壳部分有大开孔，故按照球壳的应力指数展开厚度估计：
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根据JB4732-1995（R2005），SA516 Gr.70N在考虑腐蚀裕量后厚度不应小于6mm，由于腐蚀裕量为2mm，板材的厚度负偏差为0.3mm，考虑取设备的厚度取为14mm。
2.2筒体计算
①按设计工况计算：
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②按应力指数法估算：
由于筒体有斜开孔接管，夹角为45°，故按照JB4732-1995（R2005）附录C的内容确定应力指数：
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则：
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根据JB4732-1995（R2005），SA516 Gr.70N在考虑腐蚀裕量后厚度不应小于6mm，由于腐蚀裕量为2mm，板材的厚度负偏差为0.3mm，则设备的厚度取为14mm。
2.3锥壳计算
因该锥壳上无开孔，只需进行设计工况下的厚度计算：
根据锥壳的实际结构，绘制图形如图2所示：
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图2 锥壳简图
则锥壳的当量半径
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，则
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根据JB4732-1995（R2005），SA516 Gr.70N在考虑腐蚀裕量后厚度不应小于6mm，由于腐蚀裕量为2mm，板材的厚度负偏差为0.3mm，则设备的厚度取为14mm。
2.4开孔补强计算
接管和壳体采用全焊透结构，开孔补强按JB4732-1995（R2005）的要求进行。
3分析模型
3.1设备主体有限元模型
有限元应力分析的模型和参数均参考以上参数进行。由于设备总体结构比较简单，重量和地震参数对设备影响较小，所以采用总体分析。
创建的模型如图3所示：
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图3 有限元模型
边界条件：
支座下端截断面施加全约束。
设备内表面施加内压为Pc=1.0MPa；N2接管端部施加平衡载荷（由内压引起的）：Pa=-5.70MPa，计算过程如下：
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同理可得：氮气接口N3与放空口N5为-1.06MPa；备用口N4为-3.50MPa；压力检测口P1为-1.59MPa；温度计口T1为-1.29MPa；人孔M为-4.0MPa。
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图4 结构有限元模型内压施加情况
3.2支座模型
1）设计工况下支座的校核
设计工况下，模型的质量
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，等效密度为2.8×10-8t/mm3；
设备内表面施加内压为Pc=1.0MPa；N2接管端部施加平衡载荷（由内压引起的）：Pa=-5.70MPa，同理可得：氮气接口N3与放空口N5为-1.06MPa；备用口N4为-3.50MPa；压力检测口P1为-3.46MPa；温度计口T1为-1.29MPa；人孔M为-4.0MPa。
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图5 设计工况下的载荷加载
2）满水工况下支座的校核
满水工况下，模型的满水质量M=3.36t，等效密度为3.19×10-8t/mm3；
在Y方向施加重力加速度g=-9.8Kg/N；
支座底板端面施加全约束。
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图6 满水工况下的载荷加载
4 应力分析
应力线性化后，按照JB4732-1995（R2005）展开应力强度评定。
1）设备本体模型
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图6 模型结构应力强度云图
本文以上封头与管口N3有限元分析计算结果为例进行应力评定，结果如下：
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图6 N3管口应力强度云图
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图7 N3管口应力强度线性化评定
由以上结果可知，管口N3的强度满足设计要求。
2）耳座模型
耳座在设计工况及满水工况下的应力结果见图8~9：
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图8 设计工况下耳座结果应力强度分布图
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图9 满水工况下耳座结果应力强度分布图
由上述分析结果可知，在设计工况及满水工况下耳座的最大等效应力为103.57MPa，小于材料的许用应力180MPa，故耳座结构设计安全、可靠。
5 疲劳分析
5.1设备的疲劳强度评定
通过在设计工况下（设计压力p=1.0MPa）所分析得到的最大应力288.535 MPa，可以求得在整个应力循环（工作压力p=0.7~0MPa）下，最大应力强度幅为工作压力p=0.7MPa时
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，出现在筒体与管口T1连接处，故求得交变应力强度幅：
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按JB4732-1995（R2005）中C2.2节计算
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由图C-1对应的曲线及表C-1中的数据得，对应的许用循环次数N1=241073，实际循环次数n1=18000，满足疲劳工况的设计要求。
5.2螺柱的疲劳评定
本文仅以人孔M为例，对其螺柱进行疲劳评定：
人孔M螺柱规格：M27，数量n=20，材料35CrMoA。螺纹根径为dB=23.752mm。
人孔M垫片接触面宽度：
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式中D2、D3为垫片的内外径。
垫片基本密封宽度
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垫片有效密封宽度
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垫片压紧力作用中心圆直径
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操作工况下螺柱所承受的交变载荷值为（交变压力ΔP=0.7MPa）
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单个螺柱所承受的交变应力强度幅为
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考虑螺柱疲劳减弱系数及弹性模量修正后的应力幅为
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对于垫片，系数m为3，系数y为69MPa
螺柱承受的载荷
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单个螺柱承受的应力值
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螺柱材料为35CrMoA（Rm≥690MPa），且螺柱应力
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，且
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，可查图C-4中较高的设计疲劳曲线，对应的许用循环次数N1>106次，实际循环次数n1=18000，满足疲劳公开的设计要求。
6结论
1）本文使用Ansys软件对硅粉收集器展开了详细的应力校核，各类应力强度均小于其许用应力强度，满足结构强度要求。设备的设计循环次数大于实际的循环次数，满足设备疲劳工况的要求。因此该设备的设计满足JB4732-1995（R2005）的要求。
2）疲劳设备均可参考上述方法按JB4732-1995（R2005）展开应力校核，应力评定合格后，根据最大应力点的数值按照附录的要求进行疲劳校核，得到的设计疲劳次数大于实际循环次数，则疲劳分析合格。
参考文献：
[1]JB/T 4732-2005.《钢制压力容器—分析设计标准》.[S]
[2]GB/T 150.1~4-2011.《压力容器》.[S]
[3]孟德文，李志军.PSA吸附塔的结构设计及应力分析[J].石油化工设备，2010，39（6）：33-36