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空冷器管箱焊接处的焊缝强度分析

更新时间:2009-03-28

压力容器是国民生产、生活不可缺少的一种设备,广泛应用于航空航天、机械动力、石油化工等行业和领域[1],它不同于其他的装置和设备.压力容器本身的特殊性和复杂性,以及操作条件的苛刻性,发生事故时不仅自身发生破坏,往往还会诱发一些恶性事故[2].由于实际高压工况环境而引起的应力问题在压力容器的设计、制造、运行以及检验中是不容回避的,若不采取相应的控制措施,会产生严重失效,给经济和生活带来重大损失[3-5].王佑坤等[6]对高压容器筒体与封头连接区的有限元分析进行了研究,结果表明,筒体与封头的连接区域结构复杂,属于不连续区域,应用有限元方法计算是很好的选择.付丽等[7]对筒体与封头连接焊缝区域进行研究,在以上理论的基础上又提出:在筒体与封头的焊缝处,随着工作介质压力的增大该区域所产生的应力明显增大,很有可能导致容器失效,是应力分析的关键部位.现在大都采用近似的计算公式来处理高压容器的应力集中问题,而应用有限元方法[8-10]能克服常规设计偏于安全的不足,能比较精确地获得复杂结构中各种工况下的应力分布情况,对结构的设计和改进提供重要参考价值,对研究高压容器受力情况具有重要的意义.空冷器的管箱与接管连接处以角焊方式进行固接,来防止箱体内液态流体的泄漏.为了减少设计的试验次数,利用有限元软件对实际工况下管箱、接管以及连接处的焊缝进行数值模拟,来验证空冷器设计方案的正确性是可行的.

本文采用有限元分析软件ABAQUS软件,建立三维有限元模型,对空冷器管箱连接处的焊缝进行应力强度分析.求解得到了不同时刻下空冷器管箱与接管连接处焊缝的应力场的变化规律;进而验证原设计方法的安全性和合理性.

1 有限元模型

1.1 空冷器结构尺寸

空冷器盖板及接管的结构尺寸如图1所示.

  

图1 空冷器结构尺寸Fig.1 Structural size of air cooler

1.2 几何模型

根据图纸实际尺寸,考虑材料的成型减薄量,建模时成型减薄量取厚度的10%.各部件厚度计算值如下:

接管厚度:12×90%-3=7.8 mm

管箱厚度:22×90%-3=16.8 mm

等效力及力矩:在接管上端面中心处创建参考点1,如图6所示.对上端面使用耦和约束如图7所示.对参考点施加力和力矩,接管所受弯矩和力见表2.

由于要进行耦合计算,所以采用相同的几何模型和网格模型.在三维造型软件中分别建立接管、焊缝、管箱的几何模型,如图2所示.

  

图2 几何模型的建立Fig.2 Establishment of geometric model

2 有限元模型

2.1 有限元模型划分

1) 位移边界条件

  

图3 网格化分

 

Fig.3 Mesh division

所示,网格单元数目分别为:焊缝156个单元,接管1 457个单元,水箱34 703个单元.

2.2 材料及其热物理性能

式中:did0分别为接管的内外直径,其值分别为152.4、168.0 mm;计算得到Fn的大小为11.76 MPa.

薄膜+弯曲应力强度:

 

表1 材料性能

 

Tab.1 Material properties

  

部件材料弹性模量E/MPa许用应力Sm/MPa接管20号钢2.10×105152.0管箱Q345R2.10×105189.0

2.3 施加边界条件

将几何模型导入ABAQUS中,采用ABAQUS中C3D8R单元来划分网格.接管和焊缝的形状比较规则,因此可划分为六面体扫掠网格.管箱虽然外表规则,但内部多倒角,去掉倒角易发生应力集中,故只能直接划分为四面体自由网格,网格划分如图3

位移边界条件加载为对称边界条件,如图4所示.

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图4 对称边界条件Fig.4 Symmetric boundary condition

压力来自锅炉设计资料,约束应根据实际结构施加.向接管和箱体内壁施加内压力,内表面压力大小为Pc=2.53 MPa,如图5所示.接管端面内压的等效面压力计算公式如下式:

2) 压力边界条件

 

(1)

箱体选用的材料为低合金结构钢Q345R,接管选用的材料为20号钢.Q345R和20号钢在设计工况下的性能见表1.同时,为了简化计算,在计算的过程中,使焊缝单元与接管具有相同的热物性参数.

  

图5 箱体接管端面内压的等效面压力

Fig.5 Equivalent surface pressure of internal pressure at end surface of box with joining tube

3) 外载荷边界条件:

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说明最大的汽蚀余量下降值Δhmax出现在凝结水管第一次换水完毕和凝结水管系加上下降管的第一次换水完毕的总时间之前的一段时间里。

考虑到法兰刚性大于接管,在内压的作用下,法兰可以有效抑制接管端部的变形,从而对接管有加强作用,不考虑法兰的影响是可行的.所以,为减少工作量,在建模时不考虑法兰,只建立箱体与接管的联合模型.根据结构的几何特点,取整体结构的1/4实体几何模型.

  

图6 等效力及力矩Fig.6 Equivalent force and moment

  

图7 耦和约束Fig.7 Coupling constraint

 

表2 接管所受弯矩和力

 

Tab.2 Bending moment and force subjected by joining tube

  

接管公称直径/mm弯矩M/(N·m)MxMyMz力F/NFxFyFzDN15042806100326080001006010060

3 结果与分析

通过静力学分析得到如图8所示的应力分布云图,从图中可以看出,结构中的最大应力出现在接管与箱体连接的内壁处.根据JB 473—1995《钢制压力容器—分析设计标准》要求对计算部分的应力作详细的计算,采用线处理法对容器危险界面上各应力分量沿应力分布线进行均匀化和线性化处理,得到沿应力分布线的平均应力(薄膜应力)、线性应力(弯曲应力)和应力非线性部分,再根据应力对容器失效所起作用,计算出不同应力类型及其组合的应力强度,要求相应的应力强度不超过各自许用值,材料许用极限[σ]=189 MPa(根据标准中选择的).根据应力处理的线评定原则,从过应力强度最大处到外表面作应力线性化路径path-1(如图9所示),在ABAQUS中对此区域内的应力做线性化处理,处理后的主要应力值见表3.

当我们意识到,浅阅读作为一个阅读初始阶段的方法,是每个进入阅读的人都要遇到的。它其实是有着非常积极而重要的价值。

  

图8 应力分布

 

Fig.8 Stress distribution

  

图9 应力处理路径选取Fig.9 Selection of stress processing path

 

表3 设计工况下的应力数据

 

Tab.3 Stress data under design condition

  

应力分类主应力/MPaσ1σ2σ3应力强度/MPa一次薄膜应力114.68811.7246-4.09232111.715薄膜+弯曲应力191.51314.1587 3.14645183.109

为满足JB 4732对各类应力强度应依次逐级评定的要求,对薄膜加弯曲应力,按1.5KSm控制,其中K为载荷组合系数,Sm为应力强度.

一次局部薄膜应力强度:

 

10-苯基-6,7,8,10-四氢化环戊基并[b]吡咯并[3,2-f]喹啉-9(3H)-酮·DMF的合成和晶体结构

 

所计算的应力满足JB 4732—1995标准评定,管箱和接管连接区的焊缝上无局部屈服,焊缝满足静力强度要求.管箱接管连接区的焊缝是应力高强度区,也是最容易破坏的地方.故建议:

1) 为更安全起见,需要保证焊接质量,特别是环焊缝两端.

由上可得,雷达的非线性测量方程需要线性转化以简化运算,这可以通过雷达的观测量转换,用转化后的间接观测量(伪观测量)来替代实际的观测量来实现。

2) 在出口接管上安装伸缩节,补偿吸收管道轴向、横向、角向受热引起的伸缩变形,降低管壁的应力和推力.

加快农业发展、增加农民收入是农业、农村工作面临的首要问题和中心任务,也是农业、农村工作的出发点和落脚点。鉴于林芝市深入贯彻落实西藏自治区第九次党代会和西藏自治区农村工作会议精神,特别是西藏自治区领导的重要讲话精神和指示要求,笔者结合林芝市青稞生产实际就如何提高青稞产量提出自己的浅见。

3) 注意材料的热处理和焊后热处理.

4 结论

在根据图纸实际尺寸所建立的计算模型基础上,经ABAQUS有限元软件数值分析,在设计压力为2.53 MPa工况条件下,最大应力发生在管箱和接管连接区域的焊缝上,管箱和接管的连接处焊缝上无局部屈服,焊缝满足静力强度要求,在椭圆形环的两端,不需要环形加强板.

参考文献

[1] 杨 露.浅谈压力容器的制造 [J].工程技术(引文版),2016(4):00253.

[2] 刘 驰,徐严伟,何 芳.基于ANSYS Workbench的压力容器热-结构耦合分析 [J].中国化工装备,2016,18(1):26-29.

[3] 郑思定.准定常温度分布下长圆筒体的热应力计算 [J].动力工程学报,1986(2):21-25,67.

[4] 叶 晔.压力容器的结构分析与安全评估分析 [J].中国机械,2016(4):108-108.

[5] 韩鹏飞,王正方,张 川.钢制压力容器局部腐蚀失效分析及防护措施 [J].化工装备技术,2016,37(3):33-37.

[6] 王佑坤,曾廷付,朱荣东.基于 ANSYS 的高压容器筒体与封头的连接区的应力分析 [J].化工装备技术,2007,28(6):17-19.

[7] 付 丽,张智亮.高压容器筒体与封头连接区有限元应力分析 [J].化工装备设计,2008,29(2):17-19.

[8] 王庭俊,丁传安.有限元法在高压容器应力分析中的应用 [J].现代机械,2006(6):56-57.

[9] 张 倩,刘 义.有限元法及优化设计在压力容器设计中的应用 [J].化工设计,2016,26(2):28-31.

[10] 史南达,鲍务均,SHINan-da,等.利用有限元软件对压力容器进行优化设计 [J].机械设计与制造,2005(10):12-14.

 
黄健康,于永龙,杨茂鸿,王梓懿,石玗,樊丁
《兰州理工大学学报》2018年第02期文献

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