V形網(wǎng)筒與拼瓣網(wǎng)筒實(shí)際工況力學(xué)分析及使用

張瑞鋒，于 悅

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司長(zhǎng)嶺分公司，湖南岳陽(yáng) 414012；2.遼寧裕通石化機(jī)械儀表有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110168）

0 引言

V形絲網(wǎng)筒是石化反應(yīng)器內(nèi)件中最大、最昂貴的部件之一。反應(yīng)器的表現(xiàn)很大程度上取決于V形絲網(wǎng)筒在高溫下作業(yè)的穩(wěn)定性。設(shè)備使用期間，網(wǎng)筒縱焊縫斷裂可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器停車。更換新件工程量大。網(wǎng)筒開(kāi)裂主要發(fā)生在產(chǎn)品投入使用（3～5）a后，在縱向焊縫位置，其斷裂的概率與使用時(shí)間成正比。遼寧裕通公司自2010年投入生產(chǎn)第一批V形絲網(wǎng)筒產(chǎn)品以來(lái)，一直致力于為客戶提供品質(zhì)優(yōu)異的大型無(wú)縱焊縫V型絲網(wǎng)筒產(chǎn)品，并使縱向焊接斷裂的問(wèn)題得到徹底解決，該項(xiàng)技術(shù)被評(píng)為遼寧省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，并擁有煉化內(nèi)構(gòu)件行業(yè)內(nèi)的多項(xiàng)專利。

1 網(wǎng)筒失穩(wěn)、變形、開(kāi)裂原因分析

1.1 傳統(tǒng)V形絲網(wǎng)筒加工工藝

傳統(tǒng)的電阻焊V形絲網(wǎng)筒的V形絲沿周向均勻分布，重整反應(yīng)器的催化劑在反應(yīng)器內(nèi)沿軸向運(yùn)動(dòng)。為減少催化劑的磨損，需要對(duì)V形絲網(wǎng)筒進(jìn)行二次加工：需剖割、展平、再反卷、拼焊。用電阻焊制作基礎(chǔ)V形絲網(wǎng)筒（圖1a）；沿基礎(chǔ)V形絲網(wǎng)的某一軸向截面將其裁開(kāi)，展平制成平板（圖1b）；沿平板中V形絲的長(zhǎng)度方向卷成圓弧（圖1c）；在弧形接口處兩側(cè)各焊接1塊連接板，再將各弧形網(wǎng)筒連接板焊接在一起，形成軸向的V形絲網(wǎng)筒（圖1d）。這種工藝方法制作的網(wǎng)筒存在的主要問(wèn)題有4個(gè)。

（1）拼縫的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均較低 易出現(xiàn)斷裂。

（2）V形絲網(wǎng)筒在展成平板和重新卷制過(guò)程中，V形絲與支撐桿的焊點(diǎn)將受到損傷，焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。

（3）帶縱焊縫的網(wǎng)筒是采用網(wǎng)板冷壓卷制成型工藝，網(wǎng)片支撐條卷制后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力無(wú)法消除，在工作溫度下（高溫）長(zhǎng)時(shí)間使用，支撐條在縱焊縫處產(chǎn)生蠕變斷裂。

（4）由于加工設(shè)備及工藝的問(wèn)題，網(wǎng)筒傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為徑向分瓣拼接，存在多個(gè)縱焊縫，高溫下受環(huán)向脹力的影響致使縱焊縫開(kāi)裂。

1.2 無(wú)縱焊縫V形絲網(wǎng)筒加工工藝

為解決傳統(tǒng)V形絲網(wǎng)筒的工藝缺陷，減少催化劑跑損，減少裝置非正常停車，使重整裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行，遼寧裕通公司發(fā)明了激光焊接工藝制造無(wú)縱縫結(jié)構(gòu)網(wǎng)筒工藝，解決了V形絲網(wǎng)筒易失穩(wěn)變形、開(kāi)裂損壞的問(wèn)題，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性及運(yùn)行周期。

（2）采用獨(dú)特的激光焊接工藝，焊接速度快，熱影響區(qū)和變形小。

（3）焊縫強(qiáng)度、韌性和綜合性能較高，單點(diǎn)抗拉強(qiáng)度≥3000 N（傳統(tǒng)焊接工藝單點(diǎn)抗拉強(qiáng)度≥1700 N）。

（4）網(wǎng)筒一次成型，結(jié)構(gòu)尺寸精準(zhǔn)，橢圓度、圓柱度、直線度都優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

（5）網(wǎng)筒縫隙精度高，可控制在±0.03 mm（傳統(tǒng)工藝為±0.05 mm）。

（6）網(wǎng)筒表面光潔度高，光滑平整，有利于催化劑流動(dòng)，降低催化劑的磨損。

2 不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)筒實(shí)際工況下的有限元力學(xué)分析

以長(zhǎng)嶺石化7×105t/a連續(xù)重整裝置再生器內(nèi)網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)際產(chǎn)品為例，對(duì)拼瓣式網(wǎng)筒進(jìn)行有限元分析。報(bào)告顯示在高應(yīng)力時(shí)的蠕變斷裂曲線圖，顯示出網(wǎng)筒的預(yù)計(jì)使用壽命與實(shí)際工況的使用情況。與同尺寸無(wú)縱焊縫結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，充分說(shuō)明了無(wú)縱焊縫產(chǎn)品的全面優(yōu)越性。報(bào)告在相同材料和尺寸的前提下進(jìn)行對(duì)比，網(wǎng)筒材料為316H不銹鋼，直徑660 mm。

2.1 模型假設(shè)

網(wǎng)片用平網(wǎng)冷壓加工成型，然后焊接而成。網(wǎng)片壓型后無(wú)熱處理；忽略壓型加工硬化的影響；不考慮焊接時(shí)的熱量；網(wǎng)筒 -Z方向有定位，其余方向自由膨脹。

2.2 拼瓣式網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)（圖2）

2.2.1 模擬參數(shù)（表1）

2組患者術(shù)后1周和末次隨訪時(shí)Cobb角較術(shù)前均明顯改善，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。術(shù)前和術(shù)后1周Cobb角2組間相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞ 0.05），末次隨訪時(shí)B組Cobb角顯著小于A組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。末次隨訪時(shí)，B組Cobb角丟失1.22°±0.34°，A組丟失5.62°±1.16°，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。

2.2.2 熱負(fù)荷

對(duì)網(wǎng)筒在550°C（理論值）下進(jìn)行FEM（Finite Element Method，有限元法）模擬。網(wǎng)筒截面的形變和應(yīng)力分布如圖3、圖4所示。

圖2 拼瓣式網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)

表1 拼瓣式網(wǎng)筒模擬參數(shù)

圖3 網(wǎng)筒在550°C時(shí)的形變（最大形變6.53 mm）

圖4 網(wǎng)筒在550°C時(shí)的熱應(yīng)力（最大應(yīng)力173 MPa）

2.2.3 焊接接觸面應(yīng)力分布（圖5、圖6）

2.3 無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)（圖7）

2.3.1 模擬參數(shù)（表2）

2.3.2 網(wǎng)筒的熱應(yīng)力

677℃時(shí)網(wǎng)筒會(huì)產(chǎn)生一定量的熱變形，見(jiàn)圖8。

表2 無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒模擬參數(shù)

圖5 拼瓣網(wǎng)筒中的縱焊縫應(yīng)力 (最大值173 MPa)

2.3.3 網(wǎng)筒的Von-Mises應(yīng)力（圖9）

2.3.4 V形絲焊點(diǎn)部位應(yīng)力狀況

選取網(wǎng)絲和焊道的橫截面，確定這些位置的應(yīng)力，見(jiàn)圖10、圖11。

3 結(jié)果比較及討論

3.1 結(jié)果

表3顯示了拼瓣式V形絲網(wǎng)筒和無(wú)縱焊縫V形絲網(wǎng)筒的FEM結(jié)果。比較得出：冷壓成型網(wǎng)筒在正常工作溫度下的最大應(yīng)力值仍遠(yuǎn)高于無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒在更加苛刻工況下（超溫130℃）的最大應(yīng)力值。這是由于冷壓成型網(wǎng)筒的殘余應(yīng)力和焊縫處應(yīng)力集中共同產(chǎn)生的結(jié)果。

3.2 不銹鋼蠕變斷裂時(shí)間

拼瓣式網(wǎng)筒和無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒在不同溫度下材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度如圖12所示，圖中圓點(diǎn)是冷壓成型網(wǎng)筒在焊縫附近的最大應(yīng)力點(diǎn)，大于該溫度下的屈服強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度。盡管拼瓣式網(wǎng)筒的最大應(yīng)力值高于無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒應(yīng)力值2個(gè)數(shù)量級(jí)，但該網(wǎng)筒在550℃時(shí)不會(huì)立即破裂。如圖13所示，拼瓣式網(wǎng)筒中，如果某一點(diǎn)受的應(yīng)力足夠高，在經(jīng)過(guò)成千上萬(wàn)小時(shí)操作后，該點(diǎn)會(huì)發(fā)生蠕變斷裂。例如，若溫度達(dá)到571℃，工作10 000 h（1 a）后，網(wǎng)筒焊縫處將產(chǎn)生開(kāi)裂。裕通無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒即使在溫度＞900℃時(shí)，焊縫處受的最大應(yīng)力仍低遠(yuǎn)于焊接點(diǎn)處材料破壞的臨界值。

圖6 最大應(yīng)力值在縱焊縫處

圖7 無(wú)縱焊縫網(wǎng)筒局部（無(wú)縱向拼接焊縫，整體成型結(jié)構(gòu)）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬兩種V形絲網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)在工作溫度下的應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，拼瓣式結(jié)構(gòu)網(wǎng)筒在550℃時(shí)會(huì)有很強(qiáng)的應(yīng)力在縱焊縫處產(chǎn)生，該應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊縫的蠕變斷裂。加工質(zhì)量不足或工作條件超標(biāo)會(huì)加速這一過(guò)程（如在571℃時(shí)，工作10000 h就可以導(dǎo)致失穩(wěn)）。

表3 兩種絲網(wǎng)筒有限元法分析結(jié)果

圖8 677°C時(shí)的形變量（最大值9.95 mm）

圖9 Von-Mises應(yīng)力（最大值1.97 MPa）

圖10 網(wǎng)絲處最大應(yīng)力（1.14 MPa）

圖11 焊道處最大應(yīng)力（1.29 MPa）

圖12 316H不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

圖13 316H不銹鋼不銹鋼蠕變斷裂

無(wú)縱縫網(wǎng)筒是整體結(jié)構(gòu)，不存在冷壓成型時(shí)殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中的縱焊縫。即使在長(zhǎng)期大量超溫的情況下也會(huì)正常運(yùn)行。因此，無(wú)縱縫結(jié)構(gòu)的網(wǎng)筒使用壽命更長(zhǎng)，可以減少裝置停車頻率、更換內(nèi)件造成的損失，保證裝置的收益和盈利。