鋼包回轉(zhuǎn)臺底座及圓壁對接焊縫處開人孔分析

劉俊日，孫云雙，魏 玲

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900)

鋼包回轉(zhuǎn)臺底座及圓壁對接焊縫處開人孔分析

劉俊日，孫云雙，魏 玲

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900)

鋼包回轉(zhuǎn)臺底座是連鑄設(shè)備的主要承載結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度和剛度必須符合要求。因其是焊接件，開孔位置和焊接工藝對于整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和負(fù)載下的應(yīng)變分布都有重大影響。本文通過有限元分析對鋼包回轉(zhuǎn)臺底座的應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？紤]了底座、圓壁上內(nèi)、外側(cè)筋板的分布對設(shè)備的變形和安全系數(shù)的影響，并找出了最大變形量和最小安全系數(shù)的位置。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)了當(dāng)人孔開在圓壁對接焊縫處時(shí)，設(shè)備可靠性滿足要求。

底座;筋板;焊縫

0 前言

鋼包回轉(zhuǎn)臺的底座承載著上部旋轉(zhuǎn)體、鋼包、鋼液的重量以及裝滿鋼液的鋼包坐包時(shí)的沖擊。底座的圓壁是由一塊鋼板彎曲成形，開坡口對焊而成。圓壁表面切割人孔，以便于進(jìn)入鋼包回轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，對流體旋轉(zhuǎn)接頭、電氣滑環(huán)等進(jìn)行流體配管、電氣配線等的安裝和維護(hù)。本文對某鋼包回轉(zhuǎn)臺的底座建模，按照不同的工況，進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，并檢驗(yàn)當(dāng)人孔開在圓壁對接焊縫處時(shí)，設(shè)備的可靠性。

鋼包回轉(zhuǎn)臺底座如圖1所示，主要由頂板(通過高強(qiáng)度螺栓副與回轉(zhuǎn)軸承相連)、圓壁(表面切割人孔)、內(nèi)部筋板、外部筋板組件、底板組件(通過螺栓副與鋼包回轉(zhuǎn)臺預(yù)埋基礎(chǔ)框架相連)等組成。圖1也標(biāo)注了人孔位置、鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)位置、鋼包回轉(zhuǎn)臺受包位置和澆鑄位置的相對關(guān)系，受包位置在鋼包坐包時(shí)，會產(chǎn)生一定的沖擊。

1 與鋼包回轉(zhuǎn)臺底座受力有關(guān)的基本參數(shù)

回轉(zhuǎn)體重量/kN 1 910

回轉(zhuǎn)半徑/mm 5 500

空鋼包重量/kN 1 000

滿鋼包重量/kN 2 000

沖擊系數(shù) 鋼包坐包時(shí)，取1.2;最大取2.0

圖1 底座總圖Fig.1 Base of ladle turret

鋼包回轉(zhuǎn)臺底座為整體焊接結(jié)構(gòu)，材料選用Q345D，該材料的屈服極限因厚度不同為275～345 MPa，本文選取屈服極限為275 MPa，對整個(gè)鋼包回轉(zhuǎn)臺底座進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。

在生產(chǎn)中，鋼包回轉(zhuǎn)臺底座受力主要為軸向載荷、徑向載荷和傾翻力矩。針對不同工況，計(jì)算得出鋼包回轉(zhuǎn)臺底座受力見表1。從表1可以看到，工況6(一側(cè)滿包，一側(cè)無包，鋼包坐包時(shí)，沖擊系數(shù)為2.0)鋼包回轉(zhuǎn)臺底座受力最大。故按照工況6，對其進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。

表1 不同工況下的鋼包回轉(zhuǎn)臺底座受力情況Tab.1 Force exerted on base of ladle turret under different working condition

2 有限元分析

按照工況6，以鋼包回轉(zhuǎn)臺底座的底平面為固定約束，將軸向載荷5 910 kN，傾翻力矩22 000 kN·m，加載在頂板上，進(jìn)行有限元分析和計(jì)算，結(jié)果如下。

從圖2(安全系數(shù))可以看到，鋼包回轉(zhuǎn)臺底座安全系數(shù)的最小值處于與人孔孔板相連的外部筋板下部的應(yīng)力集中處，發(fā)生在外部筋板上。其值為2.52，大于安全系數(shù)許用值1.7～2.2，滿足要求。如果想加大該處的安全系數(shù)，只需加大該筋板與孔板的接觸面積即可。此外，可以看到本文校核的目的，人孔處圓壁鋼板的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用值。

從圖3(變形圖)可以看到，設(shè)備的最大變形量處于開人孔上方頂板與外部筋板組件的連接處。

3 對圓壁對接焊縫處開人孔的應(yīng)力、應(yīng)變分析

3.1 圓壁對接焊縫處開人孔

在制造鋼包回轉(zhuǎn)臺底座時(shí)，制造廠操作工將人孔開在了圓壁對接焊縫處。如圖4所示。

為此，提出了四種解決方案:⑴目前開孔的位置不變，對孔周邊的筋板布置進(jìn)行調(diào)整或加強(qiáng)。(2)切割人孔區(qū)域兩側(cè)的整體鋼板，重新拼接、整形。(3)在人孔的位置落人孔狀料，補(bǔ)焊。(4)報(bào)廢重做并提供進(jìn)度計(jì)劃。顯然，方案(1)最理想。方案(4)不但會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重的影響了設(shè)備的交貨周期。用有限元分析檢驗(yàn)方案(1)是否可行性。

圖4 開在圓壁對接焊縫處的人孔Fig.4 The hole of opened at the buttweld on the wall

3.2 鋼材的可靠性、焊縫的可靠性及焊縫熱影響區(qū)分析

首先，圓壁是由厚度40 mm的Q345D鋼板彎曲成形，開坡口對焊而成，鋼板要按照厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，并滿足要求。其次，焊縫必須是雙坡口T型熔透焊接，進(jìn)行100%UT和100%MT無損探傷，并完全符合相關(guān)焊接工藝、標(biāo)準(zhǔn)的要求。第三，對焊縫的熱影響區(qū)范圍及該處的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3.3 有限元分析

圓壁人孔、焊縫位置如圖5所示，對接焊縫距人孔中心線弧長110 mm，焊縫的左、右兩側(cè)各有5 mm寬的熱影響區(qū)。根據(jù)對接焊縫的位置，內(nèi)、外筋板的位置不必進(jìn)行調(diào)整。

鋼包回轉(zhuǎn)臺底座的等效應(yīng)力如圖6所示，其最大值仍是外部筋板的位置。對等效應(yīng)力進(jìn)行區(qū)域劃分，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)中的最大等效應(yīng)力均低于21.9 MPa，按照等效應(yīng)力21.9 MPa，進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。焊縫熱影響區(qū)中，屈服強(qiáng)度降低系數(shù)為0.85，圓壁材質(zhì)Q345D的屈服極限為275 MPa，則此處安全系數(shù)=275×0.85÷21.9=10.7遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全系統(tǒng)的許用值。

對本鋼包回轉(zhuǎn)臺底座而言，只要滿足本文因此關(guān)于材質(zhì)、焊接、探傷等工藝要求，人孔開在鋼包回轉(zhuǎn)臺底座圓壁對接焊縫處，也可滿足鋼包回轉(zhuǎn)臺的使用要求。當(dāng)然，在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造中，應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生，將人孔和焊縫錯(cuò)開一定的角度，明確標(biāo)注將焊縫放在距離人孔30°，鋼包受包側(cè)60°之間，鋼包回轉(zhuǎn)臺底座的應(yīng)力分布將更均勻、可靠。

4 結(jié)論

通過對鋼包回轉(zhuǎn)臺底座進(jìn)行有限元受力分析，可以找出設(shè)備的最大變形區(qū)域，安全系數(shù)最小區(qū)域，從而保證內(nèi)、外筋板的合理布置，并有針對性地進(jìn)行加強(qiáng)。另一方面，針對焊接、裝配過程中出現(xiàn)的問題，通過有限元受力分析，對設(shè)計(jì)和制造提供參供，有效地保證設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］劉俊日．鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)臂有限元分析 ［J］．中國重型裝備，2009(2)．

［2］馬朝暉，屈朝霞，王海濤．Q345GJD特厚板的焊接性能研究［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2009(1)．

［3］糟谷正．鋼焊接熱影響區(qū)硬度的預(yù)測和必要預(yù)熱溫度的選定［J］．世界鋼鐵，1996(2)．

Analysis of side hole at buttweld on wall of base for ladle turret

LIU Jun-ri，SUN Yun-shuang，WEILing
(Baosteel Engineering Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

Asmost important supporting part of ladle turret，the base is strict in its hardness and stiffness in engineering．Since it is a welded unit，the position of the side hole and welding process influence the distribution of stress and strain of the over-all structure greatly．The numerical simulation for stress and strain distribution of ladle turretbasewas conducted with finite elementanalysis．In consideration of the effectof the distribution of internal and external ribbed plates on deformation of the base and security coefficient，the weakest point was found．The simulation resultshows thatwhen the hole is opened at the buttweld on thewall，the security of the base canmeet the requirements of the whole equipment．

base;ribbed plate;weld line

TF066

A

1001－196X(2012)05－0086－03

2012－02－06;

2012－04－13

劉俊日(1972－)，男，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，高級工程師。