過濾器出水擋板的失效分析

李洪波，曲瑞波，徐少可，張 輝，侯宗宗

(洛陽船舶材料研究所，中國 洛陽 471000)

0 引言

壓載水是保證船舶航行安全的重要措施，但壓載水的抽取與排放，勢必因攜帶大量微生物，而對環境造成污染。因此，國際海事組織大會通過了《船舶壓載水及其沉積物管理和控制的國際公約》[1]。該公約的制訂意味著國際航運船舶，必須安裝壓載水處理系統，同時達到公約要求的排放標準[2]，才能在所到港口國停泊。因此如何保證壓載水處理系統中，各配套設備的正常穩定運行，已成為眾多配套設備廠家的當務之急。

過濾器為壓載水處理系統中的關鍵設備之一，在壓載水處理過程中，過濾器設備中的組裝件—出水擋板發生了開裂失效現象，如圖1所示。由于出水擋板的開裂失效，導致了整個壓載水處理系統無法正常運行，迫使航運船舶無法正常在所到港口國?？?，無疑給船東帶來了巨大的經濟利益損失。為避免此類問題的出現，保證壓載水處理系統穩定、可靠地運行，迫切需要對過濾器設備中的出水擋板進行失效分析研究。本文采用有限元分析與試驗相結合的方法，對出水擋板的失效，進行分析研究并提出了可行的優化改進方案。通過改進，成功解決了出水擋板的失效問題。

1 原因分析

1.1 受力分析

壓載水過濾器中的出水擋板位于過濾腔體與反沖洗腔體之間，將待過濾的海水與反沖洗后含有雜質的污水分離隔開。在過濾器運行過程中，需要過濾的海水經進水口進入過濾器，經內置于過濾器內部濾筒的過濾，過濾后的海水再經出水口流出，過濾時海水中懸浮的雜質在濾筒的內表面聚積。隨著過濾的進行，聚積在濾筒內表面的雜質逐漸增多并形成濾餅，造成濾筒內外的壓力差。當濾筒內外的壓力差，達到預先設定的壓差值時，過濾器啟動自動反沖洗功能，開始自動反沖洗。反沖洗過程中，過濾器內的吸污管通過上下往復旋轉運動，將聚積在濾筒內側的雜質污物清洗干凈，實現在線連續自動反沖洗的功能。過濾器的結構簡圖，如圖2所示。

壓載水過濾器運行過程中，出水擋板既受到過濾腔體內部待過濾海水的壓力，又受到自動反沖洗過程中，吸污管上下往復運動的摩擦力，受力情況較為復雜。出水擋板在過濾器的正常運行過程中，發生開裂失效，足以說明出水擋板的結構強度不能滿足實際工況的需求。需要對其進行強度校核或有限元仿真分析。

1.2 材料分析

由于工程塑料具有質量輕、力學性能良好的特點，工程塑料已在工程設計中，可替代金屬作某些機械構件或其他特殊用途的材料。常用的工程塑料有聚酰胺6(尼龍)、聚甲醛、ABS、酚醛樹脂等[3]。

ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯組成的三元共聚物，具有優異的抗沖擊性能和耐低溫性能、表面光澤性好、易加工成型、尺寸穩定等特點，是一種用途廣泛的熱塑性工程塑料。ABS的拉伸強度一般在35～50MPa，拉伸強度受溫度影響較大，隨溫度升高而明顯下降。拉伸過程中產生屈服點，表現一定的韌性[4-5]。

為便于過濾器的安裝與維護，實現裝配零件的輕量化需求，出水擋板的材料在設計時選擇了ABS塑料。過濾器運行過程中，由ABS材質制成的出水擋板，發生了開裂失效現象。經初步分析，應是出水擋板在實際工況運行過程中，所承受的應力超過了其彈性極限，ABS塑料中的橡膠粒子為分散應力集中點，在橡膠粒子界面上出現微裂紋，發生白化，同時吸收應力。隨著應力的逐漸增大，微裂紋會在應力集中點形成裂紋，最終導致開裂失效。

1.3 有限元仿真分析

針對出水擋板的失效問題，在三維建模軟件Pro/E中，建立了出水擋板的三維模型，再將所建模型保存為stp文件格式，導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench18.0中。

在有限元分析軟件中，對導入的三維模型進行前處理工作，完成單元網格大小、網格類型的設置，進行網格劃分，生成有限元模型。再根據出水擋板的實際運行工況，對出水擋板施加載荷及約束等邊界條件，并進行求解。

通過仿真求解，得到出水擋板的應力分布圖及位移變形圖，如圖3、圖4所示。

從應力分布圖中可以看出，出水擋板的最大應力，恰好出現在出水擋板中部，用于固定軸套的螺栓孔處，與出水擋板實際發生斷裂失效時的趨勢較為吻合。仿真分析計算所得到的最大等效應力值達到了58.559MPa，局部區域的應力值已明顯超過了材料的極限屈服強度值50MPa；從位移變形圖中可以看出，出水擋板中部的螺栓孔位置，完全處于位移變形的最大區域，在該區域螺栓孔的邊緣處易于形成應力集中現象，造成潛在的微裂紋產生。

2 優化改進

通過上述分析，決定對出水擋板的結構及材料進行優化改進。具體措施如下：

結構方面：調整出水擋板中部螺栓孔的位置，使其遠離位移變形的最大區域，同時在位移變形的最大區域，增加蓋板進行結構加強。

依據改進方案，再次對改進后的出水擋板進行有限元仿真分析，得到改進后出水擋板的應力分布圖，如圖5所示。從改進后出水擋板的應力分布圖中可以看出，此時應力最大值為37.838MPa。改進后出水擋板所承受的最大應力明顯減小，改進效果較為顯著。

材料方面：采用其他材質的工程塑料進行替換，依據工程塑料的力學性能及相關參考文獻[6-11]，選取聚酰胺6、聚甲醛(共聚)和酚醛樹脂三種材質，作為出水擋板的預制材料。對預制的出水擋板進行對比試驗，選擇綜合性能較好的材料，作為出水擋板的最終確定用材料。預選的三種工程塑料的力學性能參數，如表1所示。

表1 聚酰胺6、聚甲醛及酚醛樹脂的力學性能

3 水壓試驗

水壓試驗裝置由壓載水過濾器、4DSY-165/6.3型打壓泵、壓力傳感器和壓力表等設備組成。在水壓加載前，為確保檢測數據的準確性，需將過濾器殼體內部的氣體，通過排氣閥排空。加載時，壓力從0.2MPa開始，每次壓力遞增0.1MPa，每次保壓10min，觀察并記錄壓力及出水擋板的變化情況。

試驗結果及分析：

1)由聚酰胺6材料預制的出水擋板，當水壓打至0.7MPa時，出水擋板出現滲漏現象；當壓力打到1.3MPa時，出水擋板發生破裂，如圖6所示。

2)由聚甲醛(共聚)材料預制的出水擋板，壓力逐步升至1.5MPa時，未出現漏水、破裂現象，后經反復多次驗證，均未發生異?，F象，如圖7所示。

3)由酚醛樹脂材料預制的出水擋板，當壓力打至0.8MPa時，加強蓋板法蘭邊緣出現裂紋，并發生漏水現象，如圖8所示。

根據水壓試驗所得到的數據，可以繪出三種預制材料的出水擋板，在打壓試驗時的耐壓對比曲線，如圖9所示。通過試驗的結果可知，由酚醛樹脂制成的出水擋板發生開裂，這與酚醛樹脂屬脆性材料，彎曲性能差，易被折斷，抗沖擊強度較低的特性有很大關系。聚酰胺6材料的材質韌性差，存在缺口沖擊強度低、缺口敏感的缺點，由該材料制成的出水擋板，在打壓試驗過程中發生破裂現象，也與該材料的本質特性有關。采用聚甲醛材料制成的出水擋板，經過多次反復試驗，均未出現漏水、開裂現象，綜合性能較好，決定選用該材質作為出水擋板的替代材料。

4 結語

1)本文從壓載水過濾器中出水擋板的開裂失效問題出發，采用有限元分析的方法，對出水擋板的結構進行了分析。通過分析得出，出水擋板中用于固定軸套的螺栓孔位置設計不合理，易于形成應力集中，造成出水擋板的開裂。

2)工程塑料的選用必須依據其本質特性，在滿足結構使用性能的前提下，結合試驗進行合理選擇。

3)通過對出水擋板的結構及材料進行改進，成功解決了出水擋板的失效問題，同時為過濾器的穩定、可靠運行提供了必要保障。