壓力容器筒體校圓裝置的研究

熊恒

摘 要： 在化工行業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，化工設(shè)備不斷的邁向大型化、高質(zhì)量化。在化工制造業(yè)中，大型筒體也具有越加廣泛的應(yīng)用，但是也具有較多的問(wèn)題，諸如不容易控制筒體尺寸、不容易明確筒節(jié)組對(duì)焊接時(shí)定位等等。進(jìn)行機(jī)械組裝期間，筒體校圓裝置屬于重要的裝置，發(fā)揮的意義巨大。本文對(duì)于壓力容器筒體校圓裝置相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞： 壓力容器；筒體校圓裝置；自動(dòng)組對(duì)焊接

壓力容器進(jìn)行加工成型和焊接組裝期間，很容易出現(xiàn)一些缺陷問(wèn)題，使得容器的質(zhì)量以及性能大大降低。所以，實(shí)施筒體制造和組對(duì)中，應(yīng)該科學(xué)的對(duì)筒體的不圓度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)壓力容器筒體組對(duì)質(zhì)量以及效率的提升。在裝備制造業(yè)內(nèi)，組裝過(guò)程機(jī)械化非常關(guān)鍵，應(yīng)用機(jī)械組裝，不僅可以將勞動(dòng)條件大大的改善，而且能夠明顯的增強(qiáng)勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，應(yīng)該采取高質(zhì)高效的、帶有校圓裝置的筒體組提升焊接工作站實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)性。

一、筒體校圓裝置研制的理論基礎(chǔ)

控制好壓力容器筒體橢圓度是非常關(guān)鍵的，因?yàn)橥搀w的橢圓度和所形成錯(cuò)邊量能夠?qū)τ谕搀w對(duì)焊的效率、質(zhì)量水平以及安裝等等方面產(chǎn)生較大的影響。所以，我國(guó)化工行業(yè)已經(jīng)對(duì)于筒體橢圓度提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。也就是在進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造壓力容器期間，必須要嚴(yán)格的按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)施，如果為違背標(biāo)準(zhǔn)，需要承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。各國(guó)的橢圓度標(biāo)準(zhǔn)各具有差異性，有學(xué)者基于材料力學(xué)方面，實(shí)施研究?jī)?nèi)壓容器橢圓度的最大允許值并獲得到計(jì)算橢圓度公式，結(jié)果顯示橢圓度許用值和工作壓力、材料屈服極限和彈性模量存在明顯的關(guān)聯(lián)性，橢圓度許用值和工作壓力以及材料屈服極限之間具有更顯著的關(guān)聯(lián)性，材料彈性模量不會(huì)對(duì)于計(jì)算的結(jié)果構(gòu)成較大的影響。

有限元法屬于一種在求解工程中有關(guān)數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的通用的數(shù)值分析方法，即建立在近似分割和能量極值原理前提下分解求解的連續(xù)系統(tǒng)為有限個(gè)分區(qū)或單元，對(duì)于各分區(qū)的單元特性分析并且組裝各單元，最后簡(jiǎn)化復(fù)雜的問(wèn)題為線性方程組再求解。在各種軟件中，應(yīng)用最廣泛的以及受用度最高的就是ANSYS軟件。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)化工壓力容器行業(yè)中的ANSYS占據(jù)市場(chǎng)份額達(dá)到了百分之九十五，是設(shè)計(jì)壓力容器分析的標(biāo)準(zhǔn)。其具備較高精度、諸多功能以及輸出結(jié)果的清晰度，而且能同多種工程用計(jì)算機(jī)軟件的對(duì)接可行性，所以在設(shè)計(jì)以及優(yōu)化壓力容器方面已經(jīng)得到了普遍的實(shí)踐。另外，進(jìn)行筒體有限元分析，包括形成筒體有限元模型、確定單元類型、劃分網(wǎng)格和設(shè)置材料屬性。

二、筒體橢圓度產(chǎn)生原因和有限元分析

產(chǎn)生筒體橢圓度的因素較多：首先，化工設(shè)備內(nèi)的筒體制造工序方面上。筒體的加工流程涉及到的內(nèi)容為備料劃線、檢驗(yàn)切割、卷制、焊接以及檢測(cè)等。進(jìn)行各項(xiàng)具體工序期間，需要對(duì)于附加的工藝過(guò)程控制文件進(jìn)行編制，并且明確好零件加工期間所需設(shè)備以及方法、精度、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等等指標(biāo)。制造筒體時(shí)，要展開(kāi)備料劃線，并且實(shí)施筒節(jié)計(jì)算、放樣以及標(biāo)記，明確好坯料尺寸。加工筒體時(shí)，通常鋼板的中面為中性層。不一樣的校圓目的對(duì)校圓裝置的要求不一樣，做相應(yīng)分析時(shí)的原理也各具差異性。其次，觀察筒體制造的工藝流程，能夠看出對(duì)筒體的圓柱度構(gòu)成影響的就是筒體制造期間的劃線、切割、加工坡口、卷制等等，最終導(dǎo)致不同程度失圓問(wèn)題。所以，卷圓、縱縫焊接之后，需要實(shí)施檢測(cè)圓柱度以及焊縫，一旦超出規(guī)定，則應(yīng)該展開(kāi)校圓工序，之后焊接環(huán)縫。另外，筒體的設(shè)計(jì)生產(chǎn)每一工序，和筒體物理環(huán)境狀態(tài)，均可以引發(fā)筒節(jié)截面失圓問(wèn)題。

自重對(duì)筒體橢圓度影響的有限元分析：首先，進(jìn)行建模以及施加載荷。應(yīng)用到的軟件為ANSYS10.0軟件。模型單元類型選用Solid 45（PLANE42），筒體材料采取Q345R；其次，觀察厚度不同情況下，自重影響筒體橢圓度的效果。結(jié)果顯示，如果筒體直徑不變，則增大壁厚時(shí)，筒體會(huì)因自重產(chǎn)生的橢圓度越??；接下來(lái)，觀察直徑不同情況下，自重對(duì)筒體橢圓度的影響效果。結(jié)果顯示，厚度不變時(shí)如果直徑越大，則筒體因自重產(chǎn)生的橢圓度越大；最后，觀察壁厚為規(guī)定范圍內(nèi)最薄時(shí)，筒體自重對(duì)橢圓度的影響，結(jié)果顯示，僅受重力作用時(shí)，厚徑比對(duì)筒體截面的變化有著明顯的影響。

三、筒體校圓裝置的設(shè)計(jì)研制及其具體結(jié)構(gòu)

首先，對(duì)于校圓裝置基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確。第一，確定好校圓裝置行為機(jī)構(gòu)。支撐桿件的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)諸多，包括改變動(dòng)力方式、調(diào)節(jié)桿件長(zhǎng)度、對(duì)于不同直徑筒體的適應(yīng)度進(jìn)行有效提升等，對(duì)支撐桿件的不同設(shè)計(jì)，進(jìn)而確保符合各種不同要求的能力。所以，采取校圓裝置的行為機(jī)構(gòu)為桿件式結(jié)構(gòu)，可發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；第二，明確校圓裝置動(dòng)力機(jī)構(gòu)。如果想要達(dá)到對(duì)筒體的高精度校圓的目的，應(yīng)該設(shè)計(jì)大于兩根的桿件，多個(gè)液壓桿能夠通過(guò)一個(gè)液壓泵分別控制，達(dá)到工作壓力相同的多缸同時(shí)動(dòng)作目標(biāo)，以對(duì)稱管路分布和同步馬達(dá)等舉措完成。所以，采取液壓千斤頂為動(dòng)力元件，達(dá)到精確和靈活的筒體校圓工作；第三，明確校圓裝置支撐結(jié)構(gòu)。采取空心圓盤(pán)式內(nèi)支撐，也就是大于環(huán)板式內(nèi)外徑差的圓盤(pán)式內(nèi)支撐形式。為使校圓裝置可以符合大的直徑范圍的筒體的校圓工作，把桿件與空心圓盤(pán)的連接方式更改成螺栓連接舉措。如下圖1所示，為我公司應(yīng)用的校圓防變形的星形支撐。

其次，設(shè)置好校圓裝置支撐桿數(shù)。采取相應(yīng)軟件進(jìn)行不同支撐桿數(shù)下的筒體校圓效果的有限元分析。全部分析是遵循支撐桿個(gè)數(shù)的不同，分為各種載荷步。分析直徑相同和壁厚不同情況下，支撐桿數(shù)的不同對(duì)撐圓效果的影響等。最終，從不同結(jié)構(gòu)裝置的矯形效果和筒體的應(yīng)力考慮，支撐桿數(shù)分別為2和4時(shí)，裝置矯形形成的變形效果和裝置矯形形成應(yīng)力改善最明顯。

最后，構(gòu)建起校圓裝置結(jié)構(gòu)三維圖。采取UG8.0對(duì)校圓裝置各個(gè)構(gòu)件實(shí)施合理的建模，同時(shí)對(duì)于各構(gòu)件根據(jù)實(shí)際情況展開(kāi)裝配，完成最后的校圓裝置結(jié)構(gòu)三維圖。

四、筒體橢圓度測(cè)量裝置的確定

檢測(cè)筒體橢圓度的方式較多，最常用的就是接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量。前種方式就是指測(cè)量工具和測(cè)量對(duì)象直接接觸，對(duì)于測(cè)量工具進(jìn)行調(diào)節(jié)，以匹配測(cè)量對(duì)象，進(jìn)而獲得測(cè)量結(jié)果。此舉措能夠達(dá)到以小測(cè)大的目標(biāo)，但工件和滾輪之間很容易出現(xiàn)滑失問(wèn)題，不能直觀地體現(xiàn)工件的具體橢圓。非接觸式測(cè)量將光電、磁為基礎(chǔ)，無(wú)需接觸被測(cè)工件的表面就可獲得被測(cè)工件的一系列參數(shù)。應(yīng)用這種舉措聯(lián)合輔助計(jì)算機(jī)功能，可以得到更高精度的檢測(cè)效果。通過(guò)綜合的考慮，采取光學(xué)非接觸測(cè)量方式實(shí)施測(cè)量元件選擇傳感器。通過(guò)查找有關(guān)激光位移傳感器的支架的文件以及圖片，對(duì)于校圓裝置配套使用的檢測(cè)機(jī)構(gòu)支架要求進(jìn)行分析，最后選擇通用傳感器支架并且對(duì)傳感器支架和校圓裝置支撐盤(pán)的連接方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，符合校圓期間傳感器對(duì)中以及固定問(wèn)題，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校圓時(shí)針對(duì)不同角度以及位置校圓效果目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：

選擇高質(zhì)高效的、帶有校圓裝置的筒體組，可以明顯的將焊接工作站實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行提升。所以，未來(lái)要不斷的進(jìn)行探索，進(jìn)一步的分析筒體環(huán)縫組對(duì)工序中校圓裝置和相關(guān)配套的檢測(cè)裝置，獲得最先進(jìn)的校圓裝置結(jié)構(gòu)。

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