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泵壳体可靠性研究‖压力边界失效模式及其机理的系统评估指南（二泵壳体可靠性研究‖压力边界失效模式及其机理的系统评估指南（二）摘 要：本文包含严格的泵壳体设计技术的建议，对不同的设计方法进行了比较。然后，详细描述了其中最复杂的部分。最后，给出了大多数离心泵壳体的设计检查清单。 整篇文章将分为五个部分发布，本文为第二部分。 上接：泵壳体可靠性研究‖压力边界失效模式及其机理的系统评估指南（一）。 评估策略 每一个工程分析都必须根据管理策略进行。这确保了评估在真实环境中的相关性。以下是在一般机械工程分析中最常用的三种评估策略。 标称安全系数 最简单的方法是使用标称值或平均值来描述系统模型。当可变性紧密，以及当输入与结果输出具有最大比例的相关性时，这种方法是理想的。通过这种策略，应用的安全系数不仅用于提供实际载荷系统工况和故障之间的裕度（余量），还用于涵盖分析中未明确量化的内容。当然，“未量化”并不一定意味着“未知”。 复合最坏情况 如果系统可变性不能被忽略或假设应用的安全系数充分涵盖，则在描述系统模型本身的值中考虑可变性是合适的。例如，生产铸件所涉及的制造公差将导致零件的壁厚分布在特定范围内。使用“复合最坏情况”策略，将使用该厚度范围的两个极端之一，这取决于哪一个产生最保守的结果。对于承受内压的强度评估，可能会使用最小壁厚。为了评估热瞬态事件造成的壳体变形，可能需要最大壁厚。 这种方法仍然使用安全系数，但系统模型的性质意味着该系数必须主要覆盖故障的实际边际，而不是设计可变性。这种策略的主要缺点是难以确定最坏情况下的假设，而这些假设并不一定显而易见。如果系统包含一组相反作用的效应，那么在某些情况下，最坏的情况甚至可能由公差范围的中间值产生。在发现这种情况时，通常同时应用同一变量的两个极值，这取决于其在计算中的影响。因此，对于由几个维度组成的系统，最坏情况可能代表一种极不可能甚至不可能的情况，以这种方式产生的设计可能实质上是严重过度构建的。 概率 减少工程假设数量的一种可能方法是使用概率计算。系统的输入作为一个适当的概率分布的随机变量应用。在最常见的方法（称为Monte-Carlo模拟）中，每个输入都是从其相应的概率分布中随机分配的，并对总体结果进行评估。对每个输入使用新的随机值，这个过程被重复很多次。最终，评估是基于是否产生了足够数量的成功计算。 这样的结果通常可以用来说明故障发生的可能性，这在需要量化故障风险时很有用。此外，还捕获了由变量输入的中间值引起的任何潜在的最坏情况。由于计算必须执行多次才能使总结果接近输入概率，因此对于计算成本已经很高的模型来说，这种策略是不切实际的。 泵壳体的故障模式 故障可以分为两类：执行故障和设计故障。执行故障是指那些由于“没有按照规定去做”而导致的故障。将设计视为一组简单的概念说明，设计故障是指即使遵循了所有指令和程序，也会发生的故障。集成到制造商的流程中，产品的完整故障模式表可能包括设计和执行故障。下面列出的故障模式的范围将通过以下方式加以限制： 1）仅设计故障 2）仅与承压泵壳体直接相关的故障 3）仅限在评估时主要导致零件形状或尺寸变化的故障（例如，不讨论材料的化学适用性） 在这里重现每种推荐的评估方法的每一个细节是不现实的，特别是当它们能在已发布的标准中找到时。讨论了分析模型的最重要方面，作者希望这里列出的原则足以让人们理解和遵循这些方法。 框架结构故障 离心泵壳体的机械设计大多是对其结构完整性的评估。需要仔细检查定义的载荷情况，以确保包括所有可能的影响。例如，一些泵的壳体在承受内部压力时会出现一种有趣的现象，称为“流体压力渗透（fluid-pressure-penetration）”。考虑一台轴向剖分式泵，如图1所示。 图1：移除了上半壳体的轴向剖分式泵，显示了密封垫片受流体压力渗透的影响 承压时，壳体半部分的变形将导致垫片的内边缘载荷减少，并使垫片的一部分暴露在工作流体中。当垫片继续良好地发挥其预期功能（防止内部和外部泄漏）时，壳体上的水力载荷面积可能会大大增加（见图2），从而影响壳体应力和螺栓载荷。在进行壳体分析时，这些类型的影响非常重要。 图2：承压时垫片状态（红色表未与介质接触，蓝色表示垫片表面可能与介质接触） 虽然不建议对这些框架结构故障模式使用概率方法，但所使用的模型包含数量惊人的具有很大的可变性的输入值（例如螺栓预张力），必须加以考虑。当综合考虑时，这种影响甚至更大。在前面的例子中，当施加流体压力渗透时，较低的螺栓预紧力将导致更大的水力加载面积。 原因：静态塑性塌陷（Static Plastic Collapse） 影响：泵框架（结构）破裂 可能的后果：工作流体泄漏 典型建模策略：复合最坏情况 推荐评估方法：极限载荷（ASME 2011 VIII-2 5.2.3或EN13445-3 2012 B.8.2） 塑性塌陷是所有通用机器设计中评估的最重要的失效模式之一。它是指零部件无法承受施加的载荷，从而导致严重变形的情况。值得注意的是，防止塑性塌陷的安全性并不意味着防止塑性变形的安全性。以压力作为施加载荷的情况下，罐状结构通常在局部区域产生高应力，特别是在形状不连续位置附近。 当在高应力区域发生屈服时，载荷路径将被迫从高应力材料重新分布到其周围的材料。只要结构有足够的支撑材料，就不会发生塑性塌陷，尽管由于屈服的发生，预计会有一些残余的塑性变形。图3至图6所示的图像显示了零件在塑性塌陷之前的内部应力状况。在图4所示的应力条件下，该零件保持弹性，如果去除载荷，零件将恢复到其原始形状。当考虑到防止塑性塌陷的安全性时，图5中的中间条件可能是允许的，因为结构仍然能够承受载荷。然而，由于屈服面积很大，一旦移除载荷，预计零件将永久变形。图6中的条件恰好是在失效之前，材料的屈服区域从顶部和底部表面延伸到几乎到达中间。显然，它是希望对实际载荷有一些余量的，这将导致塑性塌陷失效。 图3：缺口悬臂梁 图4：施加端力时屈服的开始 图5：屈服区域随着载荷的增加而扩大 图6：迫在眉睫的塑性塌陷 评估塑性塌陷的方法有多种选择。压力容器设计中一种常见的方法涉及使用线-弹性材料模型及应力线性化和分类。在感兴趣的位置绘制穿过结构壁的路径，并从使用有限元计算的实际应力分布中以数学方式生成应力分布的理想化表示。然后主要对理想化分布本身进行评估。通过考虑整个厚度的理想应力，可以允许应力高于屈服的局部区域（在使用纯弹性材料的模型中可能存在）。对于形状简单的结构，应力分类方法可能是一种有效的技术。 不幸的是，这种方法通常还需要一套关于由结构不连续性引起的高应力的允许接近度的规则，这对于由水力优化的形状和有效特征（如结构肋）制成的离心泵来说通常是不切实际的。此外，由于每个评估路径都必须经过精心选择，因此该过程涉及一些主观性，并且随着评估零件的形状变得不像薄壁通用压力容器而更像离心泵壳体，该过程变得越来越繁琐。相反，作者建议使用一种称为“极限负载”分析的评估方法，ASME B&PVC和EN13445都认为这种方法是防止塑性塌陷的令人满意的安全性证明，并且这些规范只在应用细节上有所不同。 极限负载分析方法使用具有人工屈服点和无加工硬化（即理想塑性）的弹塑性材料模型。当使用ASME作为评估方法的基础时，应使用最小材料条件（包括腐蚀裕量和制造公差）对几何结构进行建模。在设计相对较薄壁的一般压力容器时，这通常是一件简单的事情，因为这种有限元模型可以使用壳单元创建，壳单元可以快速重新定义其厚度。然而，在设计离心泵时，通常使用复杂的三维CAD几何图形来描述壳体。在实践中，分析最小材料厚度的零件将意味着为每次设计迭代维护多个CAD几何文件： 至少一个“薄”的用于分析，另一个“实际”厚度的用于支持设计文档和其它评估。这种模型在设计过程中出现发散的风险很高，需要寻找替代策略。 一种可能的解决方案是通过使用一组放大的负载来说明损失的材料（请注意，极限负载分析中的负载已经根据相应标准的不同因素进行了修改，以考虑其它可变性）。考虑公式（1）中所示的系数，当负载乘以该系数时，建模系统将在最小材料条件下产生与原始负载等效的膜应力。 公式（1）： 式中， Ft = 负载放大系数 t = 模型设计壁厚 c = 腐蚀余量 m = 制造公差 由于极限负载分析中使用的模型是用一组人为修改的参数（屈服强度、负载等）构建的，因此并非所有结果都能代表实际情况。事实上，ASME方法仅使用数值收敛作为可接受准则，而忽略所有其它结果。对于EN规范，该准则是基于所研究的特定负载工况的允许总机械（弹性+塑性）应变。 极限负载分析方法的主要优点是成功结果的明确性，可以在单个结果图中看到。与应力线性化不同，在选择如何或在哪里绘制评估路径时不需要主观判断。这意味着更快的分析和更安全的设计。因此，在仅单独考虑螺栓连接的情况下，这是一种有效的评估方法，用于证明所有主要泵壳零件的塑性塌陷保护。 原因：局部失效（Local Faulure） 影响：泵框架（结构）破裂 可能的后果：工作流体泄漏 典型建模策略：复合最坏情况 推荐评估方法：局部（突然破裂），标准（ASME 2011 VIII-2 5.3.2或EN13445-3 2012 B.8.2） 大多数材料屈服或失效标准都以等效应力为基础。一个例子是von Mises应力，它可以从公式（2）所示的局部主应力中找到。 公式（2）： 式中， σeqv为von Mises应力 σ1为第一主应力 σ2为第二主应力 σ3为第三主应力 图7：在零等效（von Mises）应力的情况下，在所有方向上均匀加载的应力元件 由公式（2）可以看出，当材料在各主方向同时均匀加载时（见图7），等效应力为零。然而，零件的断裂将导致垂直于断裂面方向的载荷立即丧失，其余方向的载荷产生非零等效应力。因此，在分析局部失效的潜在机制是由于可能被认为是不稳定应力状态引起的突然破裂。对这种故障的安全性可以通过多种方式来显示，其中最简单的方法是限制整个被研究零件的所有主应力之和的值。建议使用ASME或EN13445来评估这种失效模式。 作者简介： Michael Singer，高级开发工程师。他获得了Portland State University的BSME学位。于2005年加入苏尔寿泵业（US）有限公司，目前在瑞士Winterthur从事有限元分析。 Torsten Johne，高级开发工程师。他毕业于Dresden University of Technology，拥有16年的实际有限元分析经验。目前，他是总部位于Winterthur的苏尔寿泵业有限公司有限元分析小组的负责人。 |
