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

介紹了國內現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，得到筒體內徑、壁厚及支撐桿數等參數對筒體變形和應力的影響規(guī)律，確定經濟有效的撐圓結構形式。

壓力容器 筒體 撐圓裝置 橢圓度 有限元

隨著化工行業(yè)的技術革新，化工設備也在向著大型化和高質量化發(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力引發(fā)變形產生一定的橢圓度，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狀

我國在20世紀80年代已經開始關注筒體矯圓的問題，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某些機械廠根據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卻多是制造者的經驗。人力控制組對間隙和錯邊量，不易保證對口和焊接質量，而且還會造成大量材料和時間的浪費。

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

2 筒體在不同結構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構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，為了計算簡便且數據可靠，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、應力剛度、大變形和大應變的能力。筒體材料選擇壓力容器中廣泛應用的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支撐桿個數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，某個方向相對 應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、壁厚等參數的變化對于筒體端面圓度誤差和內部的應力影響很大[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力變化圖，可以非常清晰地看出隨著支撐桿數的變化筒體的變形趨勢和應力變化情況。

圖2 筒體受8根支撐桿作用的矯圓情況

顯然，隨著支撐桿數的增加筒體的應力分布越來越均勻，應力分布情況越來越好，也就是說，支撐桿數越多，對應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]設備尺寸為例，由于換熱器筒體以內徑為公稱直徑，故文中的直徑皆以內徑為準，從兩方面進行分析：第一，直徑相同、壁厚不同時，支撐桿數的不同對撐圓效果的影響；第二，直徑不同、壁厚相同時，支撐桿數的不同對撐圓效果的影響。

2.1 直徑相同、支撐桿數和壁厚不同對撐圓效果的影響

分析第1方面時，根據設計手冊[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、壁厚不同時筒體的最大變形見表1、最大應力見表2。

表1 支撐桿數不同且壁厚不同時筒體的最大變形

表2 支撐桿數不同且壁厚不同時筒體的最大應力

顯然，直徑相同、壁厚不同的筒體，其變形量和最大應力都隨著支撐桿數的增加逐漸減小，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，最大應力減小幅度最大的是4根支撐桿；無論變形量還是最大應力都在小于8根支撐桿時隨著支撐桿數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、直徑和支撐桿數不同對撐圓效果的影響

分析第2方面時，同樣根據設計手冊[5]中鋼制列管式固定管板換熱器的設備尺寸規(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量支撐桿作用的變形量見表3，最大應力見表4。

表3 支撐桿數不同且直徑不同時筒體的最大變形

表4 支撐桿數不同且直徑不同時筒體的最大應力

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

3 結論

3.1 隨著支撐桿數的增加，筒體的變形量和最大應力皆逐漸減小，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力變化最劇烈、應力改善最顯著。

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

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

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

[2] 方仕慶，曹振鋒.壓力鋼管撐圓校正工裝設備的工藝革新[J].水利科技與經濟，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.罐體組對設備中筒體和支撐特征參數的研究[J].機車車輛工藝，2005，(4)：4～6，10.

[5] 燕山石油化學總公司設計院，蘭州化學工業(yè)公司工設計院編.鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊[M].上海：化工部設備設計技術中心站，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

廣告索引

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SEW-傳動設備(天津)有限公司(封面)

上海化工研究院有限公司 (封二)

浙江久立特材科技股份有限公司(封三)

浙江三方控制閥股份有限公司(封底)

浙江豐利粉碎設備有限公司(彩插1)

天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(彩插2/3)

干燥工程技術及裝備(彩插4)

廢熱鍋爐及余熱回收裝置(彩插5)

電化學設備及工程(彩插6)

塑料配混擠出技術及裝備(彩插7)

迷宮壓縮機及壓縮機氣量調節(jié)系統(彩插8)

長輸管線防腐保溫工程技術及設備(彩插9)

在線色譜及分析儀表成套設備(彩插10)

放射性檢測儀表及技術服務(彩插11)

化學工業(yè)設備質量監(jiān)督檢驗中心(彩插12/13)

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滕州市亞東旋轉接頭有限公司(單插3)

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廣州市東山南方密封件有限公司(單插6)

啟東宏達防爆電氣有限公司(單插7)

上海申銀機械(集團)有限公司(單插8)

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

廣東省自然科學基金項目(9152500002000003);廣東省教育部產學研結合項目(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、流變學及其應用方面的研究，303977251@qq.com。

TQ050.3

A

0254-6094(2017)01-0064-05