封頭開孔接管結(jié)構(gòu)消應(yīng)熱處理工裝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

鄭博濤

(營口瀚卡檢測(cè)技術(shù)開發(fā)有限公司,遼寧 營口 115005)

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)的不斷成熟,石化設(shè)備正朝著大型化方向發(fā)展[1-4]。壓力容器封頭作為主要受壓元件,其質(zhì)量是否滿足使用要求至關(guān)重要,國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定了封頭的設(shè)計(jì)制造和檢驗(yàn)要求。使用正火板材制造封頭時(shí)通常采用冷旋的方式成型,這樣不會(huì)破壞板材的供貨狀態(tài),但在標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20584—2011中明確要求了碳鋼、低合金鋼冷成型制造封頭后,為改善殘余應(yīng)力等不利影響,須對(duì)成型后的封頭進(jìn)行消應(yīng)熱處理[5-7]。大型封頭由于板幅限制,需由幾塊板材拼焊制成,在熱處理時(shí)如果變形量過大,則會(huì)影響焊接接頭的質(zhì)量,因此需用支撐工裝來減小熱處理時(shí)封頭的形變量,來保證封頭整體的使用性能[8]。本文采用三維軟件建模和有限元方法,對(duì)封頭消應(yīng)熱處理過程模擬計(jì)算,得到封頭應(yīng)變圖解,并設(shè)計(jì)一套經(jīng)濟(jì)、有效的控制開孔接管結(jié)構(gòu)的封頭消應(yīng)熱處理形變的工裝,為大型壓力容器封頭熱處理防形變工裝的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 開孔接管封頭規(guī)格及消應(yīng)熱處理工藝要求

開孔接管封頭見圖1,封頭規(guī)格為EHA2000×12,接管規(guī)格為φ219×10,材質(zhì)為Q345R,封頭執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25198—2010,Q345R板材執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 713—2014。封頭與接管均用板材冷成型的方式制造,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150—2011要求,需要對(duì)成型后的開孔接管封頭進(jìn)行消應(yīng)熱處理,封頭制造廠家給出的冷成型封頭鋼板下料尺寸為φ2490,此封頭需分瓣制造,并且先焊接后成型,因此熱處理時(shí)需要控制封頭的形變量來保證焊接拼縫的質(zhì)量。

圖1 開孔接管封頭三維模型

采用的消應(yīng)熱處理工藝要求如下:1)進(jìn)爐時(shí)爐內(nèi)溫度不得高于400 ℃;2)焊件升溫至400 ℃后,加熱區(qū)升溫速度不得超過150 ℃/h (5500/δPWHT℃/h),一般情況下不低于55 ℃/h;3)升溫時(shí),加熱區(qū)內(nèi)的溫差不大于140 ℃;4)保溫時(shí),加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜超過80 ℃;5)升溫及保溫時(shí)應(yīng)控制加熱區(qū)氣氛,防止焊件表面過度氧化;6)爐溫高于400 ℃時(shí),加熱區(qū)降溫速度不得超過180 ℃; 7)焊件出爐時(shí),爐溫不得高于400 ℃,出爐后應(yīng)在靜止空氣中繼續(xù)冷卻。

2 開孔接管封頭消應(yīng)熱處理有限元模擬

2.1 無工裝時(shí)開孔接管封頭熱處理形變量仿真

為了探究不同規(guī)格工裝對(duì)開孔接管封頭熱處理形變量的影響,需對(duì)無工裝時(shí)開孔接管封頭熱處理形變量進(jìn)行分析[9],得到形變量數(shù)值。圖2為無工裝時(shí)開孔接管封頭單元網(wǎng)格劃分形式,共有32963個(gè)節(jié)點(diǎn)和18994個(gè)單元,選取接管與封頭連接部位為固定邊界條件,對(duì)封頭施加溫度載荷,無工裝時(shí)開孔接管封頭熱處理最大形變量及位置見圖3,最大形變量為3.614 mm。

圖2 無工裝時(shí)開孔接管封頭單元網(wǎng)格劃分

圖3 無工裝時(shí)開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

2.2 加工裝后開孔接管封頭熱處理形變量仿真

工裝結(jié)構(gòu)組成見圖4,其中支撐桿和支撐柱材質(zhì)為Q235B、支撐板材質(zhì)為Q345R。為了探究不同數(shù)量和規(guī)格的工裝對(duì)開孔接管封頭熱處理形變量的影響,用不同數(shù)量和規(guī)格的支撐工裝進(jìn)行熱處理模擬仿真。

圖4 工裝組成

2.2.1相同規(guī)格、不同數(shù)量的支撐桿工裝

分別用6根、8根和10根φ60支撐桿和相同規(guī)格的φ150支撐柱與12 mm厚度的支撐板工裝模擬開孔接管封頭熱處理形變量。圖5為6根支撐桿工裝開孔接管封頭模型,通過對(duì)模型賦予材質(zhì)、施加固定約束和溫度載荷后,其形變量分布見圖6。由圖6可知,最大形變量位于兩個(gè)支撐桿的中間位置,可以觀察到開孔接管封頭的最大形變量位置與數(shù)值,比無工裝時(shí)形變量減少了1.331 mm,大大降低了開孔接管封頭熱處理時(shí)的形變量。

圖6 6根支撐桿工裝開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

圖7為8根支撐桿工裝開孔接管封頭模型,施加相同的固定約束和溫度載荷后,其形變量分布見圖8。由圖8可知,開孔接管封頭的最大形變量位置比6根支撐桿工裝時(shí)減少了0.259 mm。

圖7 8根支撐桿工裝開孔接管封頭模型

圖8 8根支撐桿工裝開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

圖9為10根支撐桿工裝開孔接管封頭模型,施加相同的固定約束和溫度載荷后,其形變量分布見圖10。開孔接管封頭的最大形變量比8根支撐桿工裝時(shí)減少了0.029 mm,改善效果明顯降低。

圖9 10根支撐桿工裝開孔接管封頭模型

圖10 10根支撐桿工裝開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

由圖6、圖8和圖10可知,當(dāng)支撐柱、支撐板和支撐桿規(guī)格相同時(shí),支撐桿的數(shù)量越多,工裝防形變效果越好。經(jīng)過分析最大形變量數(shù)值可知,布置8根支撐桿工裝的開孔接管封頭形變量為2.024 mm,雖然比布置10根支撐桿工裝的形變量要大,但從使用性能和經(jīng)濟(jì)角度上考慮,其性價(jià)比是最高的。因此開孔接管封頭選用8根支撐桿的工裝較為合適。

2.2.2相同數(shù)量、不同規(guī)格的支撐桿工裝

采用8根支撐桿的工裝開孔接管封頭模型,分別選用φ48和φ89規(guī)格的支撐桿工裝模擬開孔接管封頭熱處理時(shí)的形變量,見圖11和圖12。由圖11可知,φ48規(guī)格的8根支撐桿工裝開孔接管封頭的最大形變量為2.094 mm,相比于φ60規(guī)格的8根支撐桿工裝時(shí)的形變量多0.07 mm。由圖12可知,φ89規(guī)格的8根支撐桿工裝開孔接管封頭的最大形變量為2.008 mm,相比于φ60規(guī)格的8根支撐桿工裝時(shí)的形變量小0.086 mm。

圖12 φ89規(guī)格的8根支撐桿工裝開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

對(duì)比圖8、圖11和圖12可知,不同規(guī)格的8根支撐桿工裝時(shí)的形變量差僅為0.086 mm。從滿足形變量要求和經(jīng)濟(jì)角度上考慮,φ48規(guī)格的8根支撐桿工裝的性價(jià)比最高。因此選用φ48規(guī)格的8根支撐桿作為開孔接管封頭的工裝組成部分。

2.2.3不同尺寸支撐板

采用φ48規(guī)格的8根支撐桿、不同尺寸支撐板工裝模擬開孔接管封頭熱處理形變量,見圖13。表1為不同尺寸支撐板下開孔接管封頭熱處理的最大形變量。由圖13可知,支撐板尺寸的變化對(duì)開孔接管封頭熱處理形變量的影響不大。因此為了節(jié)省材料,降低制造成本,選用100 mm×100 mm支撐板。

表1 不同尺寸支撐板下開孔接管封頭最大形變量

(a)A=125 mm;(b)A=150 mm;(c)A=175 mm;(d)A=200 mm

綜上所述,對(duì)于封頭規(guī)格為EHA2000×12、接管規(guī)格為φ219×10的開孔接管封頭,最優(yōu)的減小消應(yīng)熱處理形變的工裝為布置φ48規(guī)格的8根支撐桿,其支撐板尺寸為100 mm×100 mm。

3 結(jié)論

1)基于有限元分析,模擬了開孔接管封頭無工裝和布置各種規(guī)格工裝時(shí)的熱處理形變量分布圖,驗(yàn)證了工裝能夠明顯降低開孔接管封頭熱處理的最大形變量,同時(shí)發(fā)現(xiàn)開孔接管封頭最大形變量位于兩個(gè)支撐桿的中間位置。

2)隨著支撐桿的數(shù)量增加,開孔接管封頭熱處理形變量不斷減少。

3)隨著支撐桿規(guī)格的增大,開孔接管封頭熱處理形變量不斷減少,但形變量減小效果不如增加支撐桿數(shù)量明顯。

4)隨著支撐板尺寸的增大,開孔接管封頭熱處理形變量先降低后基本保持不變。

5)對(duì)于封頭規(guī)格為EHA2000×12、接管規(guī)格為φ219×10的開孔接管封頭,最優(yōu)的減小消應(yīng)熱處理形變的工裝為布置φ48規(guī)格的8根支撐桿,其支撐板尺寸為100 mm×100 mm。