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球罐热处理条件下温度场和热应力分析

1 引言

随着计算机技术的迅猛发展,发达国家的制造业广泛地采用了计算机技术,CAD、CAM、CAE、FMS等技术已得到了普及应用。有限元分析方法已被广泛应用于制造过程的计算机仿真,如金属成型加工过程的计算机模拟、铸造和焊接凝固过程的数值模拟、热处理过程的金属组织内部应力分布的模拟等。这些仿真模拟是构成虚拟制造最主要的部分。

但是现实生产中的环境是千差万别的,要模拟真实,计算模型就必须考虑实际生产所用的结构、材料、工艺参数。尽管目前对材料热处理以后的性能已有计算模拟的研究,但对大型工业结构在现场热处理状态下的热响应却还鲜见研究报道,因此目前人们还难于预见诸如容器、球罐类结构在现场整体热处理过程中可能出现的问题。

某厂对大型液化气球罐进行检验中发现焊缝局部有裂纹存在,于是进行了打磨补焊。为了消氢、消除残余应力和降低焊缝及热影响区的硬度,需要对球罐进行整体热处理。由于在热处理过程中,支柱基础上的固定约束无法解除,在支柱的根部和支柱与球罐连接处可能会出现较大的热应力。为了防止热处理过程中发生意外失效,很有必要对现场热处理过程所产生的应力进行模拟,以确保一次处理成功。为此、本文对该液化气球罐热处理过程中的热应力进行了有限元模拟,并按照JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》的规定进行了强度校核。  

2 球罐的热处理方案

对球罐进行整体热处理以消除焊接残余应力,是防止湿H2S环境下开裂的有效方法之一。球罐整体热处理的基本工艺是以小于162℃/h的速度升温,到570℃后保温26小时,然后以小于206℃/h的速度降温。在整体热处理过程中,最大温差不超过±15℃。在球罐外面以及支座的上部加一层25mm厚的石棉保温层,中心用火焰直接加热,同时通过温控仪对球罐壁温进行控制,球罐周围的环境为293K。由于球罐支座上的地脚螺栓已无法拆卸,球罐在温度作用下的膨胀受到限制,由此产生热应力。很显然,最大热应力应发生在热处理的最大温度段。  

3 有限元模型的建立

热应力是和温度场的改变联系在一起的,它是位置坐标和时间的函数。热应力的分析包括两个部分:一是球罐在内部热源加热下的的传热分析,以得到整体温度场的分布:然后根据温度场进行热应力分析。本文应用大型商用有限元程序ANSYS5.4中的热一应力顺序耦合分析方法对球罐的整体热处理进行模拟。

3 1 三维立体模型的建立

在进行热处理时,在球罐外面以及支座的上部加上了一层石棉保温层,根据设计图纸,采用了ANSYS的建模技术,可以得到整体结构图,如图1所示。
 

 

球壳外径D1o=12410mm,球壳壁厚t1=34mm,材质为SPV50C;球壳南北极接有人孔,人孔的直径d=315mm;球壳在赤道处支撑在8个均匀分布的尺寸为=508×12.7mm的支柱上。支柱材质分为两部分,其上部:L1=2.8m为SPV50C,下部:L2=5.9m为STK41;保温层的厚度均为25mm;考虑到整体结构的对称性[6],可取出其中1/8结构来进行网格划分和热应力分析,如图2所示。

3 2 热分析

在热分析中主要通过球罐在热处理过程中所受的热载荷,求出球壳中的温度分布。根据球罐热处理的条件,本模型的热分析可认为是一个稳态传热分析,其边界条件:球罐内壁面为一个恒定温度场,石棉保温层的外壁面与周围大气进行对流传热。


热分析采用热-结构耦合单元中的三维热分析单元(Solid70),参见图2。如图2所示对1/8球罐结构进行网格划分。单元总数为45759,节点数为13107。

同时定义材料的比热、传热系数等传热特性,由于材料的传热特性与温度有关,呈非线性关系,因此热分析为一个非线性的基本过程。
 

热载荷:球罐内壁面为一个恒定温度场   T2=858K;

环境(空气)温度为:

To=293K在该温度下,空气对流系数σ=3 6W/m2·K

球壳的温度分布如图3所示,可以看到保温层外支柱的温度迅速降到环境温度。

温度沿壁厚方向的分布如图4所示,可以看到由于保温层的存在,温度在球罐中的降低并不显著,在石棉中下降比较明显。


3 3 结构分布

在结构分析中,先把上面热分析得到的节点温度作为“体载荷”施加到球壳上,然后进行结构分析,求出球罐的热应力。

在结构分析中,采用与热-结构耦合单元中热分析单元Solid70耦合的三维结构单元Solid45重新定义单元类型。

同时定义材料的泊松比、弹性模量、热膨胀系数等结构特性,由于材料的结构特性也与温度有关,呈非线性分布,因此结构分析同样也是一个非线性的基本过程。
 

计算时考虑的载荷有:

球罐所受的温度载荷:球罐的自重130670kg;
保温层的重量5770kg;

约束条件:在图2所示1/8球壳的两侧厚度平面上施加对称约束;在球壳支柱的基座上施加固定约束。

3 4 结构分析

球罐的变形情况参见图5,从图中可看出,由于受到支柱的约束,球罐的下部分变形比上部分变形小。  

从图6可以看出,支柱与球壳连接处以及支柱根部的应力比较高,支柱与球壳连接处的应力81 5MPa,支柱根部的Mises应力为41 6MPa,由有限元分析结果可知,球壳中最大应力点在支柱与球壳连接处(如图6所示),其应力分量为:

σx=0 437MPa, 

σy=-80 65MPa, 
σz=-84 97MPa 
σxy=0 1443MPa, 
σyx=65 72MPa, 
σxz=97 65MPa


4 强度校核

按照JB4732-95《钢制压力容器---分析设计标准》的有关规定[7],强度校核时应当采用最大剪应力理论,应力强度规定为最大剪应力的2倍,即:

  S={|S12|,|S23|,|S31|}max式中 

S12=σ1-σ2,   
S23=σ2-σ3,   
S31=σ3-σ1   
S---应力强度;   
σ1,σ2,σ3---主应力。
根据JB4732-95《钢制压力容器---分析设计标准》中规定:一次和二次应力的S许用极限为3Sm,即S≤3Sm

根据计算,热应力最大处为球壳与支柱的连接处,其值为S=81 5MPa,此处温度为857K,许用应力Sm=80MPa,因此满足S=81 5≤3Sm=240MPa。

5 结论

本文用有限元软件模拟真实环境下对液化气球罐的整体热处理,进行了热分析和结构分析。就其本质而言,这个仿真过程是对热处理真实过程的抽象,与实际的过程相比,可以更高效、更节省、更灵活、更完全地了解球罐在整体热处理过程中的应力状态。

经过运用有限元方法对液化气球罐结构在热处理条件下的温度场和热应力进行有限元数值分析计算,采用JB4732-95《钢制压力容器---分析设计标准》进行相应的强度校核后,可知在支柱的基础上固定约束不解除的情况下对该球罐热处理进行过程是安全的。

通过分析,为工厂选择合适的热处理工艺提供了重要的决策依据,确保了球罐现场热处理一次成功,创造了重要的经济效益。本文的建模分析方法亦可供同类设备热应力分析借鉴。
 

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