压力容器环焊缝局部短错边装配应力数值分析

?必威动态 ????|???? ?2019-07-24 13:02


  石油化工设备设计计算bookmark0压力容器环焊缝局部短错边装配应力数值分析陈虎、巩建鸣、涂善东“2成制造,由此产生了装配应力。经检测分析表明,此应力是诱发焊缝区域产生晶间应力腐蚀开裂失效的原因之运用有限元方法,通过建立3D壳单元模型对局部错边强制组装后产生的装配应力进行模拟分析,分别对相同错边长度不同错边量、相同错边量不同错边长度等多种情况进行分类分析讨论。其分析结果表明,经过强制组装后的环焊缝在最大错边处的邻近区域存在较大装配应力且分布具有明显的局部性。错边角度越小、错边量越大,其装配后的峰值应力越高。错边角度较小时,采用3D模型更能准确地描述应力分布。
  基金项目:中石化科技开发项目方面的研宄。
  368iMPa,抗拉强度4=9尾-造过程中中错油不gM!接残耀力力的的影响。
  根据现场检测,某石化企业乙二醇不锈钢蒸发器封头与筒体环焊缝部位发生了晶间应力腐蚀开裂,此类失效与该区域的应力状态有着密切的关系111.分析认为,由于该蒸发器的加工制造误差,在焊接制造过程中对接环焊缝处存在错边,但通过强制组装后完成了焊接,由此引起的装配应力是环焊缝失效的主要原因之一。文中对存在局部(part)错边并通过强制组装制造后的蒸发器环焊缝的应力状态进行了分析,以期为从事压力蒸发器设计和制造的相关人员提供。
  错边量和棱角度超标是压力容器制造中常出现的几何尺寸缺陷,此类缺陷可对压力容器的受力状态产生不良影响,容易导致局部出现应力集中现象,局部应力水平升高往往容易诱发裂纹,成为此区域断裂破坏的始因121.对于此类缺陷,工程中常采用打磨和堆焊修复的方法在一定程度上降低由错边引起的应力集中,但若通过修复仍难达到规范的要求时,就需要进行强制组装施焊进行修复。到目前为止,国内外对容器焊缝错边及角变形引起的附加应力的预测分析己做过很多工作1341,其中有限元方法是常用的分析方法。很多均将错边分析模型简化成以最大错边量为特征参量的轴对称模型,并以此为基础进行应力场分析和容限探讨|5~81,结果较为保守。其将错边简化成整个环向均匀存在而忽略了实际容器中错边存在的局部性,对于错边角度较小时进行的分析结果误差较大。另一方面,国内外对局部错边强制装配(assemble)制造的研究较少,大部分关于错边的修复研究都是针对堆焊修复后在设计压力使用下的应力状态,蒉纪山、徐盈辉等人对错边的强制组对进行了理问题,分别对不同错边量和不同错边角度的错边问题进行3D模型有限元分析181,得到修复后装配应力的分布规律,同时试图找出一套实现强制组对过程的有限元分析思路。
  1蒸发器结构与有限元模型设备(shèbèi)概况蒸发器的几何尺寸和错边情况见。其设计温度为195*C,设计压力为0. 69MPa筒体规格为02000mmX14mm,封头为标准捕圆封头,规格EHA 14mm.筒体与封头的材料均为AISI *C)弹性模量E= GPa泊松比0. 1.2有限元模型1.2.1有限元网格有限元分析采用国际通用有限元分析AppABAQUS进行建模求解191,考虑到对称性以及错边强制组装效应的局部性,采用如所示的1/4模型建模求解。由于容器半径R与容器壁厚S的比值己大于或等于15,属薄壁容器,故在ABAQUS中采用壳单元进行分析,错边在环焊缝局部分布错边量由0逐渐升至最大错边量处,在错边量为0处由于结构不连续因此对此区域网格须进行细划。
  文中将分2类错边强制组对情况进行分析比较:
  ①相同错边角度“90°,不同错边量。
  ②同假设错边发生在筒体侧且为正错边,无错边环焊缝己焊接完成,忽略环焊缝高度,1.2.2有限元分析过程(guò chéng)将模型置于与容器筒体同轴的柱坐标系下,将中模型边缘标记为施加的边界条件,在模型两经向施加对称(symmetry)边界条件,限制筒体最下端轴向位移为0.蒸发器强制组对安装过程主要是针对环焊缝短长度错边情况完成的,一般尽可能将筒体和封头环对边对齐固定(fixed)后,对错边部位加强制力,使得错边部位对齐后固定完成环焊缝焊接,然后将强制力释放使焊缝区域自由回弹。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛,它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。文中的有限元分析按3个阶段进行:
  ①强制移动错边两对边至同径,此时两对边基本对齐,由于封头几何形状决定了封头侧刚性较大,故在移动过程中其移动的位移要比筒体侧错边位移小,位移之间的比值通过计算得到。
  整个过程错边位移量值由子程序DISP计算并将值返回到ABAQUS程序中。
  ②在两错边强制对齐状况下完成环焊缝的焊接,然后将第1阶段中位移载荷撤消并保留其余边界约束,由于容器结构的回弹最终达到平衡位置,使得强制组对后产生的装配应力进行再分布,此过程需要注意将第1阶段分析末变形后的模型以及应力状态完整地导入第2阶段的分析,并做为其分析的初始状态。这在ABAQUS中采用import功能可以实现,其对边的施焊采用对应结点全自由度约束完成。
  ③考察容器在服役状态下受内压时的应力分布,了解装配应力对受内压容器应力分布的影响。
  2计算结果及分析2.1不同分析阶段的应力状况错边量为5mm时容器外表面和内表面在3个分析阶段的VonMises应力云图分别见和a为第1阶段错边被强制对齐后的应力分布,b为第2阶段环焊缝施焊后结构回弹稳定后的应力分布,c为第3阶段在设计压力作用下结构的应力分布云图。可以看出,在强制组对阶段,由于错边区域受强制力作用,使该区域呈现较大的应力值,最大应力出现在最大错边处,沿环焊缝随错边量的减小其应力逐渐减小,且筒体侧高应力分布范围较大。在远离错边区域应力值较小,应力分布的局部性可以明显看出,这也从一定意义上说明采用轴对称模型分析错边和强制组对引起的装配应力是偏于保守的。另外,从应力分布来看,在高应力区并没有明显的应力集中现象,这与对错边未进行强制组装而直接修复、堆焊而形成较大棱角度的制造方法相比,显然更利于避免应力集中的出现2~81.经过施焊和结构回弹稳定后,高应力区影响范围缩小,封头侧应力水平降低明显,最大应力值出现在筒体侧,且稍偏离错边环焊缝区域,这是回弹后撤消强制组对力后应力再分布的结果。在设计压力作用下,封头侧的应力状态有较为明显的变化,但最大应力区域仍在筒体侧,这是筒体侧结构刚性比封头侧要小一些的缘故。对比与,错边模型内、外表面在3个分析阶段的应力分布规律从整体上看是相同的,相比而言,模型的内表面受设计压力作用后应力变化明显,考虑到模型实际的工作环境,其内表面的应力状况更应该引起关注。
  2.2相同错边角度不同错边量的应力分析具有相同错边角度令=90*不同错边量时,在3个分析阶段模型的最大VonMises应力值见表1.建立如右图虚线箭头所示的应力考察路径PATH110,以比较考察不同错边量在同一路径下的VonMises应力分布,见。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。
  表1相同错边角度不同错边量时模型的错边量/mm分析阶段侧和筒体侧远离焊缝时,应力值则迅速下降至相当低的应力水平,错边量越大,其VonMises峰值应力就越大,高应力区域越宽,其最大应力己接近甚至超过屈服,但此时焊缝处的应力则维持在比较低的水平,由此可说明经过回弹后的应力再分布改善了焊缝区的应力状况,从而也确保了焊缝的强度。但焊缝处于2个高应力区域之间,应力梯度较大,此区域复杂的应力分布仍使该区域成为应力腐蚀开裂失效的高危区域与现场检测时该区域存在较多微裂纹的结果相对应。较小的错边量在完成回弹后峰值应力下降明显,在内加压力载荷作用下,其影响是整体的,对于焊缝区域的峰值应力影响不大。
  2.3相同错边量不同错边角度的应力分析为比较考察相同错边量时不同错边角度近缝区域的应力分布,本次分析取固定错边量3mm,错边角度分别为30°、45°、60°、75°、90°、120*和150*共7种模型进行计算比较。错边角度不同时3个分析阶段模型的最大VonMises应力值见表2从表2以及分析结果可以看出,错边角度较小时不仅高应力区域较宽,应力水平也较高,在近缝区域应力变化梯度明显,其错边强制组对产生的装配应力的局部性也很明显。错边角度越大,应力水平会逐渐降低(reduce),错边角度对最大应力及纬线方向分布的影响逐渐减弱,当错边角度大于1/4圆周时,其影响可以忽略,但在环焊缝方向上的影响仍要关注,此时,若要仅考虑最大错边处的相关问表2相同错边量不同错边角度时模型的从和表1可以看出,对错边进行强制装配引发的装配应力在模型纬线上呈现明显的局部性,环焊缝在强制组对焊合前为最高应力分布区,但在焊接回弹后高应力区向焊缝两边区域转移,向封头分析阶段错边角度/第题,则可以采用张显程等人利用轴对称模型进行错边相关分析的方法151.而如果错边角度较小,则不适于用轴对称模型进行错边分析。
  3结语强制对齐后完成焊接是对错边进行现场修复的一种有效方法,可在一定程度上避免诸如打磨和堆焊进行错边修复时产生的应力集中,从而缓解错边区域由修复后产生的应力所带来的不利影响。
  对于存在较小角度的错边修复,建立合适的3D模型进行有限元分析要比仅采用轴对称模型的分析结果更贴近实际。
  对局部错边进行强制组装后所产生的装配应力具有局部区域性,围绕环焊接缝区域的高应力分布区域需要引起足够的重视。错边角度越小、错边量越大,其装配后的峰值应力越高。
  为避免日后在环焊缝错边区域产生应力腐蚀开裂失效,从容器的制造过程开始就要对错边进行严格控制。对于此类容器的小角度局部错边来说,不仅要考虑(consider)错边量的大小,而且要考虑错边角度的影响。
  有必要进一步对此类局部错边强制组对装配情况进行定量分析,依据对错边容限进行讨论。