0 引言

锁环式快开盲板是一种安装在压力容器或管道端部的快速启闭装置，由于其具有启闭时间短、承压能力强和装卸物料方便等优点，在石油、化工及航天等领域中获得了广泛应用。锁环式快开盲板组件较多、启闭频繁，并且要承受高温和高压循环工作载荷的作用，因此在其工作过程中可能会出现疲劳裂纹甚至疲劳破坏等现象^[1]。与此同时，在其结构内部经常会受到如石油或天然气等易燃易爆介质的作用，一旦发生结构失效将引起重大事故，因此，掌握锁环式快开盲板在实际工作状态下的强度具有重要意义。

目前，大部分学者采用理论计算或有限元模拟的分析方法对快开盲板进行研究，如周天旭等^[2]利用有限元软件分析了锁环式快开盲板的应力分布状况，并对锁环的倾斜角度和尺寸参数进行了优化设计，张丽^[3]基于限元方法对卡带式快开盲板的强度进行了研究，刘亚丽等^[4]采用有限元分析法对卡箍型快开盲板的强度进行了分析，并根据分析结果对卡箍型快开盲板进行了优化设计。然而对于锁环式快开盲板应力分布及强度的研究，较少采用数值模拟与试验相结合的研究方式。因此，有必要对锁环式快开盲板在工作状态下的强度进行有限元分析，并开展相关的测试试验来验证有限元分析结果的有效性。

笔者采用ANSYS有限元软件对某公司正在使用的锁环式快开盲板进行分析，获得了其在工作压力作用下的应力分布规律，并按照ASMEⅧ-2标准对锁环式快开盲板进行强度评定，最后采用无线应力测试系统对锁环式快开盲板进行了现场测试，将测试应力与有限元模拟应力进行对比，验证了有限元模型及其分析结果的有效性。

1 弹性应力分析法原理 1.1 应力分类原则

弹性应力分析法是美国ASME规范中的一种强度分析方法，其主要作是用来防止结构发生塑性垮塌^[5]。该方法以弹性应力分析结果为基础，对作用在结构上的应力进行分类，并对不同类别的应力给予不同的强度条件。根据应力的性质特点可将其分为3类：一次应力(P)、二次应力(F)和峰值应力(Q)。其中一次应力是为了平衡外加机械载荷所必需的应力，它的特点是会随着外载荷的增大而增大，且不会因为超过材料的屈服强度而自行限制，直到结构损坏为止。一次应力还可分为一次总体薄膜应力(P_m)、一次局部薄膜应力(P_t)和一次弯曲应力(P_b)。而二次应力是由相邻部件或结构自身的约束条件所引起的应力，二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量的变形就能使约束条件得到满足，从而使应力不再继续增大。峰值应力是结构在局部热应力等因素的影响下，所产生的叠加在一次和二次应力之上的应力增量，通常情况下峰值应力不会使结构发生明显变形。

1.2 应力评定准则

应力类型的不同对结构产生的失效影响也不同，弹性应力分析法根据等安全裕度原则对各类应力能够给予不同的限制条件，其中对于危险性较小的应力，该方法给出了比其他应力更高的限制值，具体评定准则如表 1所示。表中的S_m为设计应力强度，S_a为疲劳设计曲线对应的应力幅值。

2 锁环式快开盲板的有限元分析 2.1 工作原理及设计参数

锁环式快开盲板主要由门盖、法兰、锁环、锁紧机构、万向扳手和开门铰链机构等组成，具体结构如图 1所示。当结构处于闭合状态时，锁环的一端卡在法兰上，另一端卡在在门盖上。通过在门盖内的密封槽上使用密封圈，来实现结构的自紧密封。当通过万向扳手推动锁紧机构将锁环直径减小时，锁环从法兰的半圆槽中滑出，通过开门铰链机构实现结构的快速开启。锁环式快开盲板的工作压力为9 MPa，工作温度为-20~50 ℃。门盖及法兰的材料为16Mn，锁环的材料为S22253。

在对锁环式快开盲板进行建模之前，以保证有限元模型的准确性与真实性为原则，对结构进行合理简化，简化后的锁环式快开盲板由门盖、法兰、筒体、锁环和密封槽5部分构成。具体结构形式及尺寸参数如图 2所示。

2.2 有限元分析模型

锁环式快开盲板具有对称性结构特点，因此取其截面建立二维有限元模型。在建模时筒体的长度取值大于2.5 (其中R为筒体的平均半径，δ为筒体的壁厚)，以降低由于筒体结构的不连续而产生的边缘应力^[7]。对模型采用plane183单元进行网格划分，并在锁环和法兰、锁环和门盖之间分别建立接触对，网格划分后的模型如图 3所示。

2.3 载荷及边界条件

根据锁环式快开盲板的结构特点，在门盖的对称面上施加对称约束，同时为了限制整体结构发生轴向位移，对筒体端面施加轴向约束。在门盖、筒体内壁及密封槽的内表面上施加9 MPa内压。

2.4 有限元分析结果

锁环式快开盲板在工作状态下的整体变形如图 4所示。由图可知，最大变形发生在门盖中心处，其大小为0.63 mm。图 5是盲板的应力分布云图。从图可以看出，轴端法兰的半圆槽处会出现比较大的应力，最大应力强度为385 MPa。应力较大的主要原因是结构不连续产生了边缘应力。

通过对锁环式快开盲板进行结构分析，并结合其应力分布状况，能够确定锁环式快开盲板上危险路径的位置。门盖的中心是门盖上应力与变形最大的位置，因此将路径1-1(见图 6)确定为危险路径。路径3-3和4-4不仅受到锁环接触压力的作用，还受到因结构不连续所造成的附加弯矩影响，故确定为危险路径。路径2-2、5-5、6-6以及7-7受结构不连续所引起的附加弯矩影响，存在局部应力集中现象，因此考虑为危险路径。锁环与法兰及门盖的接触压力会对锁环造成较大的弯曲与剪切作用，因此将路径8-8、9-9、10-10和11-11确定为危险路径，具体的危险路径位置如图 7所示。

根据ASMEⅧ-2标准中关于应力分类与强度评定的相关理论，将11条路径上的应力分别进行线性化处理，并对处理后的应力进行强度评定(在GB 150—2011标准^[8]中查得，16Mn的许用应力为174 MPa，S22253的许用应力为230 MPa)。对锁环式快开盲板的强度分析不考虑结构的疲劳问题，因此不考虑峰值应力及其组合应力的评定，具体评定结果如表 2所示。由此可以确定锁环式快开盲板的强度满足要求。

3 应力测试试验 3.1 测试方法及测点布置

为了验证有限元分析结果的有效性，有必要对锁环式快开盲板进行现场应力测试。由于锁环式快开盲板组件较多、结构复杂，并且在其结构内部往往承受着石油或天然气等危险介质的作用，如果使用传统的有线应力测试会给测试过程带来一定的危险性。因此在测试过程中采用了STS-WiFi无线应力测试系统，该系统具有可远程操作及多通道测试等特点，有效降低了测试过程的危险性，并能够提高测试结果的精度。该系统主要包括数据采集节点、数据接收移动基站和应变传感器等装置^[9-14]。

当锁环式快开盲板处于闭合状态时，可以将其相互连接的各部分组件视为一个整体结构来确定测点位置，在此基础上结合有限元分析结果及实际试验操作的可行性，对锁环式快开盲板布置了7个测点，测点的分布如图 8所示。其中测点1位于门盖的圆心；测点2位于测点1的正上方，与测点1的垂直距离为130 mm；测点3位于测点2的正上方，与测点2的垂直距离为130 mm；测点4在轴端法兰上，与法兰前端面的距离为100 mm。为了避免如应变传感器松动等不利因素所造成的局部测点失效影响，根据对称原理与测点(1~4)之间的距离关系，在测点1的水平方向确定了测点(5~7)的位置。

对于门盖上的测点，其主应力方向已知，分别为门盖的径向与环向，因此分别沿着门盖测点的2个主应力方向固定应变传感器。而对于法兰上的测点，由于其受到锁环与筒体的共同作用，应力状态较为复杂，所以分别沿着法兰测点的轴向、环向以及45°夹角方向固定应变传感器。

3.2 测试过程及结果

在测试过程中采用逐级加载的方式施加载荷，测试压力分别为3、6和9 MPa，在降压过程中同样采用逐级卸载的操作方式，测试时间为21 min。经过多次测试，最终确定了测试结果曲线(由于篇幅所限，笔者只列出了部分测点的测试结果曲线)，其中测点(1~3)的测试结果分别如图 9和图 10所示。图中的平稳加载或卸载阶段对应的压力，分别为3个测试压力。

由于各测试结果曲线在加载与卸载阶段的应变值较为接近，且无明显测点失效特征，为了与有限元分析结果进行对比，取测点(1~4)的应变值进行计算。根据各测点位置的应力状态可知，在门盖上的测点可以直接根据广义虎克定律，即式(1)及式(2)中应力和应变的关系，将主应变转换为主应力。而对于法兰上的测点，则需要先根据平面主应变公式计算出法兰测点主应变的大小和方向，然后通过主应变计算出相应的主应力。经计算可知, 法兰测点的主应变方向为轴向与环向，具体应力测试结果如表 3所示。表中的σ_r为径向应力，σ_θ为环向应力，σ_φ为轴向应力。

(1)

(2)

式中：σ₁、σ₂分别代表第一主应力与第二主应力，E为弹性模量，υ为泊松比，ε₁、ε₂分别代表第一主应变与第二主应变。

3.3 测试结果对比分析

分别提取法兰与门盖在各测点位置的有限元模拟应力，与测试应力进行对比。其中法兰测点的对比结果如图 11和图 12所示。通过对比可以发现，测试应力与模拟应力的变化趋势比较接近，随着压力的增大，两者的应力值均呈线性增加，且测试应力的绝对值略大于模拟应力的绝对值。经过计算可知，法兰测点模拟应力与测试应力之间在环向上的最大误差为13.21%，在轴向上的最大误差为14.32%。

门盖测点的对比结果如图 13及图 14所示。图中的横坐标为门盖测点到门盖中心的距离，纵坐标为门盖测点的应力值。由图可知，在不同内压作用下，各测点的测试应力普遍大于模拟应力，且在门盖中心测点处的应力大于其他测点应力。因此，在按照ASMEⅧ-2标准^[15]进行强度分析时，只有对模拟应力与测试应力之间的误差进行分析，且误差较小时，才能得出准确可靠的强度分析结果。经过计算可知，在测试压力作用下，门盖测点模拟应力与测试应力之间在环向上的最大误差为10.51%，在径向上的最大误差为14.96%。

综合以上对锁环式快开盲板测试结果的对比分析可知，模拟应力与测试应力比较接近，且各测点的误差均在可接受范围内，由此可以确定锁环式快开盲板的有限元模型及其有限元分析结果准确且有效。

4 结论

(1) 以某在用锁环式快开盲板为研究对象，采用有限元分析法获取了其在工作压力作用下的应力分布规律, 根据ASMEⅧ-2标准对锁环式快开盲板进行强度评定，评定结果满足要求。

(2) 在有限元分析结果的基础上，选取测点位置，利用无线应力测试系统对锁环式快开盲板进行现场测试，经过分析可知，测试应力与有限元模拟应力非常接近，验证了有限元模型及其分析结果的有效性。

(3) 该研究方法能够为锁环式快开盲板的应力分布及强度进行有效分析，并能为该结构的设计与改进提供参考和依据。