筒體組焊中撐圓效果的有限元分析①

王詠梅 蔡業(yè)彬 張銥鈖 郭 航

(1. 廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院；2. 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；3.中石化寧波工程有限公司)

筒體組焊中撐圓效果的有限元分析①

王詠梅1，2蔡業(yè)彬1張銥鈖2郭 航3

(1. 廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院；2. 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；3.中石化寧波工程有限公司)

介紹了國內(nèi)現(xiàn)有的壓力容器的筒體撐圓方式和撐圓裝置。以鋼制列管式固定管板換熱器的筒體尺寸為例，對撐圓效果進行有限元分析，得到筒體內(nèi)徑、壁厚及支撐桿數(shù)等參數(shù)對筒體變形和應(yīng)力的影響規(guī)律，確定經(jīng)濟有效的撐圓結(jié)構(gòu)形式。

壓力容器 筒體 撐圓裝置 橢圓度 有限元

隨著化工行業(yè)的技術(shù)革新，化工設(shè)備也在向著大型化和高質(zhì)量化發(fā)展，大型的筒體在化工制造業(yè)中越來越常見，但隨之而來的卻是筒體尺寸難以控制、筒節(jié)組對焊接時難以定位等問題。在化工容器制造中，如何高效、高質(zhì)量地進行B類焊縫的焊接，一直是個難點，而筒體的橢圓度對于焊接質(zhì)量的控制有著重要的作用。筒體在火焰切割、焊接及熱處理等工序都會由于應(yīng)力引發(fā)變形產(chǎn)生一定的橢圓度，而下料、成型和組裝時的誤差也會引起橢圓度的變化[1]。筒體本身的自重也會對筒體橢圓度造成影響，尤其是臥式筒體。所以，研究筒體撐圓效果有很重要的意義。

1 筒體撐圓方式及其研究現(xiàn)狀

我國在20世紀(jì)80年代已經(jīng)開始關(guān)注筒體矯圓的問題，最初的容器筒節(jié)組對方式是采用卡蘭、角鐵、楔子等簡易工具[2]人力矯圓或者在卷板機上進行滾壓矯圓和加熱矯圓。直到現(xiàn)在，卷板機 滾壓矯圓法和加熱矯圓法依然在使用，尤其對于 筒體變形較大的情況，滾壓矯圓法仍有不可替代的優(yōu)勢。而對于筒體變形較小或者用于支撐筒體防止變形的情況，較之前的使用楔子等工具稍有改進的是國內(nèi)某些機械廠根據(jù)筒體變形程度或剛度大小采用一根到兩根撐桿對筒節(jié)進行支撐，以千斤頂為動力支撐撐桿并將撐桿點焊于筒體上以控制其橢圓度，或者采用多塊弧板對筒體進行點焊固定(圖1)。但判斷一段筒節(jié)是否需要支撐桿

圖1 機械廠現(xiàn)用的改善筒節(jié)橢圓度的方法

支撐或者需要幾根支撐桿支撐的依據(jù)卻多是制造者的經(jīng)驗。人力控制組對間隙和錯邊量，不易保證對口和焊接質(zhì)量，而且還會造成大量材料和時間的浪費。

國內(nèi)學(xué)者對于筒體撐圓裝置的研究多為對數(shù)量不等的支撐頭或者支撐桿施加機械力或者人力進而調(diào)節(jié)筒體橢圓度以達到矯圓的目的，但是對支撐頭(桿)數(shù)量的設(shè)置和對于不同尺寸筒體的矯圓效果皆沒有做詳細分析，沒有一定的數(shù)據(jù)支撐，故經(jīng)過分析得出經(jīng)濟有效的支撐結(jié)構(gòu)是很有必要的。

2 筒體在不同結(jié)構(gòu)撐圓裝置作用下的有限元分析

使用ANSYS12.5軟件對筒體在不同結(jié)構(gòu)撐圓裝置作用下的效果做有限元分析。由于初始橢圓度值不可控，為了計算簡便且數(shù)據(jù)可靠，以筒體置于地面或者平臺上由重力引起的變形為初始橢圓度值，在初始橢圓度值的基礎(chǔ)上對筒體進行矯圓效果的分析。又因為筒體為圓柱體，所以選用1/2模型。單元類型選用PLANE 42，PLANE42單元多被用于壓力容器中筒體、封頭、法蘭和管板的建模[3]，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變的能力。筒體材料選擇壓力容器中廣泛應(yīng)用的Q345R，筆者采用的kg-m-s單位制，材料特性為彈性模量EX=206GPa，主泊松比PRXY=0.28，密度DENS=7850kg/m3。

筒體的加載過程根據(jù)支撐桿個數(shù)的不同分為不同的載荷步。認為分別在0、90、±45°方向有8根支撐桿且這8根撐桿兩兩對應(yīng)，某個方向相對 應(yīng)的支撐桿作用于筒體就認為加載某個方向的 力。筒體在被支撐桿支撐的過程中，直徑、壁厚等參數(shù)的變化對于筒體端面圓度誤差和內(nèi)部的應(yīng)力影響很大[4]。以DN2000mm、δ14mm的筒體為例，加載過程分為4個載荷步，首先是自重作用于筒體產(chǎn)生一定的橢圓度變化(圖2a)；其次是分別加載豎直方向(圖2b)和水平方向的位移載荷(圖2c)；最后是加載±45°方向的位移載荷(圖2d)。圖2為各載荷布加載完成后的應(yīng)力變化圖，可以非常清晰地看出隨著支撐桿數(shù)的變化筒體的變形趨勢和應(yīng)力變化情況。

圖2 筒體受8根支撐桿作用的矯圓情況

顯然，隨著支撐桿數(shù)的增加筒體的應(yīng)力分布越來越均勻，應(yīng)力分布情況越來越好，也就是說，支撐桿數(shù)越多，對應(yīng)力分布的改善越有利。

筆者以鋼制列管式固定管板換熱器[5]設(shè)備尺寸為例，由于換熱器筒體以內(nèi)徑為公稱直徑，故文中的直徑皆以內(nèi)徑為準(zhǔn)，從兩方面進行分析：第一，直徑相同、壁厚不同時，支撐桿數(shù)的不同對撐圓效果的影響；第二，直徑不同、壁厚相同時，支撐桿數(shù)的不同對撐圓效果的影響。

2.1 直徑相同、支撐桿數(shù)和壁厚不同對撐圓效果的影響

分析第1方面時，根據(jù)設(shè)計手冊[5]，選取直徑Di為1.5m，壁厚分別為0.012、0.014、0.016、0.018、0.024m，進行分析比較。直徑相同、支撐桿數(shù)、壁厚不同時筒體的最大變形見表1、最大應(yīng)力見表2。

表1 支撐桿數(shù)不同且壁厚不同時筒體的最大變形

表2 支撐桿數(shù)不同且壁厚不同時筒體的最大應(yīng)力

顯然，直徑相同、壁厚不同的筒體，其變形量和最大應(yīng)力都隨著支撐桿數(shù)的增加逐漸減小，其中，筒體變形量減小幅度最大的是在兩根支撐桿作用情況下，最大應(yīng)力減小幅度最大的是4根支撐桿；無論變形量還是最大應(yīng)力都在小于8根支撐桿時隨著支撐桿數(shù)量的增大而明顯減小；而在大于8根支撐桿時隨著支撐桿數(shù)量的增加亦減小，但是減小幅度很小幾乎可以忽略。

2.2 壁厚相同、直徑和支撐桿數(shù)不同對撐圓效果的影響

分析第2方面時，同樣根據(jù)設(shè)計手冊[5]中鋼制列管式固定管板換熱器的設(shè)備尺寸規(guī)定，選取固定壁厚0.014m，直徑范圍1.5～2.0m的筒體進行分析。壁厚相同、直徑不同時筒體受不同數(shù)量支撐桿作用的變形量見表3，最大應(yīng)力見表4。

表3 支撐桿數(shù)不同且直徑不同時筒體的最大變形

表4 支撐桿數(shù)不同且直徑不同時筒體的最大應(yīng)力

顯然，同直徑相同、壁厚不同的筒體變形量和最大應(yīng)力隨著支撐桿數(shù)的變化量相似，直徑不同、壁厚相同的筒體的變形量和最大應(yīng)力隨著支撐桿數(shù)的增加而減小。其中，支撐桿數(shù)量為2時筒體變形量減小幅度最大，支撐桿數(shù)為4時最大應(yīng)力減小幅度最大；無論變形量還是最大應(yīng)力都在支撐桿數(shù)小于8時隨著支撐桿數(shù)的增大而明顯減小；同時在支撐桿數(shù)大于8時隨著支撐桿數(shù)的增加亦減小，但減小幅度很小幾乎可以忽略。

3 結(jié)論

3.1 隨著支撐桿數(shù)的增加，筒體的變形量和最大應(yīng)力皆逐漸減小，矯圓效果越來越好。

3.2 兩根支撐桿作用時筒體變形量變化最劇烈、矯圓效果最顯著，4根支撐桿時筒體最大應(yīng)力變化最劇烈、應(yīng)力改善最顯著。

3.3 小于8根支撐桿時，隨著支撐桿數(shù)的增加，筒體變形量和最大應(yīng)力越來越小且變化顯著，大于8根支撐桿時，隨著支撐桿數(shù)的增加，筒體變形量和最大應(yīng)力也越來越小，但變化很小幾乎可以忽略。

3.4 綜合分析可知，考慮到經(jīng)濟性、撐圓效果和應(yīng)力分布，支撐桿數(shù)為8根時撐圓效果最理想；若是只考慮到筒體撐圓效果和經(jīng)濟性，對于鋼制列管式固定管板換熱器的設(shè)備尺寸來說，4根支撐桿足以將筒體變形量控制在0.15mm以下，完全符合國內(nèi)外有關(guān)筒體橢圓度的各類標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 王紹勝.常見壓力容器制造變形的預(yù)防措施[J].石油工程建設(shè)，1999，25(6)：26～28，58.

[2] 方仕慶，曹振鋒.壓力鋼管撐圓校正工裝設(shè)備的工藝革新[J].水利科技與經(jīng)濟，2011，17(12)：92～93.

[3] 欒春遠.壓力容器ANSYS分析與強度計算[M].北京：水利水電出版社，2008：343.

[4] 薛隆泉，陳軍濤，劉榮昌，等.罐體組對設(shè)備中筒體和支撐特征參數(shù)的研究[J].機車車輛工藝，2005，(4)：4～6，10.

[5] 燕山石油化學(xué)總公司設(shè)計院，蘭州化學(xué)工業(yè)公司工設(shè)計院編.鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].上海：化工部設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站，1984.

2016-02-21，

2016-11-02)

(Continued from Page 46)

AbstractTaking water-jet cleaning of a 200m-long and 300mm-diameter pipeline with grease stain as an example, the whole cleaning scheme was designed, in which, having basic parameters identified to select or design each structural components for the cleaning; and each component of the cleaning was introduced and both cleaning process and risk control were described. Economic analysis explicitly expresses the advantages of this water-jet cleaning technology.

Keywordspipeline cleaning,high-pressure water jet, cleaning parameter

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FiniteElementAnalysisofInnerSupportingEffectinCylinderAssemblyandWelding

WANG Yong-mei1，2, CAI Ye-bin1,ZHANG Yi-fen2，GUO Hang3

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngieering,TaiyuanUniversityofTechnology; 3.SinopecNinboEngineeringCo.,Ltd.)

The cylinder assembly and welding equipment for pressure vessels at home was introduced. Taking cylinder size of a steeled fixed-tube-sheet heat exchanger for an example, making use of finite element analysis method to analyze structure parameters of the inner supporting device was implemented to obtain the law of influence of cylinder parameters such as cylinder diameter, thickness, number of inner supports on the cylinder deformation and stress so that a economic and effective structure of inner supporting device can be determined.

pressure vessel, cylinder, inner supporting device, ovality, finite element

廣東省自然科學(xué)基金項目(9152500002000003);廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(2010B090400237);廣東省教育廳科技創(chuàng)新項目(2012KJCX0076)。

王詠梅(1990-)，碩士研究生，從事筒體組對撐圓裝置的研究。

聯(lián)系人蔡業(yè)彬(1968)，教授，從事過程機械、機電一體化、高分子材料加工工程、流變學(xué)及其應(yīng)用方面的研究，303977251@qq.com。

TQ050.3

A

0254-6094(2017)01-0064-05