V形網(wǎng)筒與拼瓣網(wǎng)筒實際工況力學分析及使用

張瑞鋒，于 悅

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

0 引言

V形絲網(wǎng)筒是石化反應器內(nèi)件中最大、最昂貴的部件之一。反應器的表現(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。設備使用期間，網(wǎng)筒縱焊縫斷裂可能會導致反應器停車。更換新件工程量大。網(wǎng)筒開裂主要發(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，一直致力于為客戶提供品質(zhì)優(yōu)異的大型無縱焊縫V型絲網(wǎng)筒產(chǎn)品，并使縱向焊接斷裂的問題得到徹底解決，該項技術被評為遼寧省科學技術進步三等獎，并擁有煉化內(nèi)構件行業(yè)內(nèi)的多項專利。

1 網(wǎng)筒失穩(wěn)、變形、開裂原因分析

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，重整反應器的催化劑在反應器內(nèi)沿軸向運動。為減少催化劑的磨損，需要對V形絲網(wǎng)筒進行二次加工：需剖割、展平、再反卷、拼焊。用電阻焊制作基礎V形絲網(wǎng)筒（圖1a）；沿基礎V形絲網(wǎng)的某一軸向截面將其裁開，展平制成平板（圖1b）；沿平板中V形絲的長度方向卷成圓弧（圖1c）；在弧形接口處兩側各焊接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)筒存在的主要問題有4個。

（1）拼縫的抗拉強度和疲勞強度均較低 易出現(xiàn)斷裂。

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

（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)應力無法消除，在工作溫度下（高溫）長時間使用，支撐條在縱焊縫處產(chǎn)生蠕變斷裂。

（4）由于加工設備及工藝的問題，網(wǎng)筒傳統(tǒng)的結構形式為徑向分瓣拼接，存在多個縱焊縫，高溫下受環(huán)向脹力的影響致使縱焊縫開裂。

1.2 無縱焊縫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)、長周期運行，遼寧裕通公司發(fā)明了激光焊接工藝制造無縱縫結構網(wǎng)筒工藝，解決了V形絲網(wǎng)筒易失穩(wěn)變形、開裂損壞的問題，提高設備的可靠性、穩(wěn)定性及運行周期。

（1）激光加工的支撐條是板材切割成型，無變形殘余應力，在高溫工作條件下等量線脹，消除了熱脹力的影響。

圖1 V形絲網(wǎng)筒二次加工流程

（2）采用獨特的激光焊接工藝，焊接速度快，熱影響區(qū)和變形小。

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

（4）網(wǎng)筒一次成型，結構尺寸精準，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，降低催化劑的磨損。

2 不同結構網(wǎng)筒實際工況下的有限元力學分析

以長嶺石化7×105t/a連續(xù)重整裝置再生器內(nèi)網(wǎng)項目的實際產(chǎn)品為例，對拼瓣式網(wǎng)筒進行有限元分析。報告顯示在高應力時的蠕變斷裂曲線圖，顯示出網(wǎng)筒的預計使用壽命與實際工況的使用情況。與同尺寸無縱焊縫結構的有限元分析結果進行比較，充分說明了無縱焊縫產(chǎn)品的全面優(yōu)越性。報告在相同材料和尺寸的前提下進行對比，網(wǎng)筒材料為316H不銹鋼，直徑660 mm。

2.1 模型假設

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

2.2 拼瓣式網(wǎng)筒結構（圖2）

2.2.1 模擬參數(shù)（表1）

2.2.2 熱負荷

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

圖2 拼瓣式網(wǎng)筒結構

表1 拼瓣式網(wǎng)筒模擬參數(shù)

圖3 網(wǎng)筒在550°C時的形變（最大形變6.53 mm）

圖4 網(wǎng)筒在550°C時的熱應力（最大應力173 MPa）

2.2.3 焊接接觸面應力分布（圖5、圖6）

2.3 無縱焊縫網(wǎng)筒結構（圖7）

2.3.1 模擬參數(shù)（表2）

2.3.2 網(wǎng)筒的熱應力

677℃時網(wǎng)筒會產(chǎn)生一定量的熱變形，見圖8。

表2 無縱焊縫網(wǎng)筒模擬參數(shù)

2.3.3 網(wǎng)筒的Von-Mises應力（圖 9）

2.3.4 V形絲焊點部位應力狀況

選取網(wǎng)絲和焊道的橫截面，確定這些位置的應力，見圖10、圖11。

3 結果比較及討論

3.1 結果

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

圖5 拼瓣網(wǎng)筒中的縱焊縫應力 (最大值173 MPa)

3.2 不銹鋼蠕變斷裂時間

拼瓣式網(wǎng)筒和無縱焊縫網(wǎng)筒在不同溫度下材料的抗拉強度和屈服強度如圖12所示，圖中圓點是冷壓成型網(wǎng)筒在焊縫附近的最大應力點，大于該溫度下的屈服強度小于抗拉強度。盡管拼瓣式網(wǎng)筒的最大應力值高于無縱焊縫網(wǎng)筒應力值2個數(shù)量級，但該網(wǎng)筒在550℃時不會立即破裂。如圖13所示，拼瓣式網(wǎng)筒中，如果某一點受的應力足夠高，在經(jīng)過成千上萬小時操作后，該點會發(fā)生蠕變斷裂。例如，若溫度達到571℃，工作10 000 h（1 a）后，網(wǎng)筒焊縫處將產(chǎn)生開裂。裕通無縱焊縫網(wǎng)筒即使在溫度＞900℃時，焊縫處受的最大應力仍低遠于焊接點處材料破壞的臨界值。

圖6 最大應力值在縱焊縫處

圖7 無縱焊縫網(wǎng)筒局部（無縱向拼接焊縫，整體成型結構）

4 結語

通過有限元模擬兩種V形絲網(wǎng)筒結構在工作溫度下的應力分布發(fā)現(xiàn)，拼瓣式結構網(wǎng)筒在550℃時會有很強的應力在縱焊縫處產(chǎn)生，該應力會導致焊縫的蠕變斷裂。加工質(zhì)量不足或工作條件超標會加速這一過程（如在571℃時，工作10000 h就可以導致失穩(wěn)）。

表3 兩種絲網(wǎng)筒有限元法分析結果

圖8 677°C時的形變量（最大值9.95 mm）

圖9 Von-Mises應力（最大值1.97 MPa）

圖10 網(wǎng)絲處最大應力（1.14 MPa）

圖11 焊道處最大應力（1.29 MPa）

圖12 316H不銹鋼的抗拉強度和屈服強度

無縱縫網(wǎng)筒是整體結構，不存在冷壓成型時殘余應力和應力集中的縱焊縫。即使在長期大量超溫的情況下也會正常運行。因此，無縱縫結構的網(wǎng)筒使用壽命更長，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。