封頭開孔接管結構消應熱處理工裝設計及優化

鄭博濤

(營口瀚卡檢測技術開發有限公司,遼寧 營口 115005)

隨著石油化工行業的發展與技術的不斷成熟,石化設備正朝著大型化方向發展[1-4]。壓力容器封頭作為主要受壓元件,其質量是否滿足使用要求至關重要,國家標準嚴格規定了封頭的設計制造和檢驗要求。使用正火板材制造封頭時通常采用冷旋的方式成型,這樣不會破壞板材的供貨狀態,但在標準HG/T 20584—2011中明確要求了碳鋼、低合金鋼冷成型制造封頭后,為改善殘余應力等不利影響,須對成型后的封頭進行消應熱處理[5-7]。大型封頭由于板幅限制,需由幾塊板材拼焊制成,在熱處理時如果變形量過大,則會影響焊接接頭的質量,因此需用支撐工裝來減小熱處理時封頭的形變量,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,對封頭消應熱處理過程模擬計算,得到封頭應變圖解,并設計一套經濟、有效的控制開孔接管結構的封頭消應熱處理形變的工裝,為大型壓力容器封頭熱處理防形變工裝的設計提供了參考。

1 開孔接管封頭規格及消應熱處理工藝要求

開孔接管封頭見圖1,封頭規格為EHA2000×12,接管規格為φ219×10,材質為Q345R,封頭執行標準 GB/T 25198—2010,Q345R板材執行標準GB/T 713—2014。封頭與接管均用板材冷成型的方式制造,根據標準GB/T 150—2011要求,需要對成型后的開孔接管封頭進行消應熱處理,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,因此熱處理時需要控制封頭的形變量來保證焊接拼縫的質量。

圖1 開孔接管封頭三維模型

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

2 開孔接管封頭消應熱處理有限元模擬

2.1 無工裝時開孔接管封頭熱處理形變量仿真

為了探究不同規格工裝對開孔接管封頭熱處理形變量的影響,需對無工裝時開孔接管封頭熱處理形變量進行分析[9],得到形變量數值。圖2為無工裝時開孔接管封頭單元網格劃分形式,共有32963個節點和18994個單元,選取接管與封頭連接部位為固定邊界條件,對封頭施加溫度載荷,無工裝時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 無工裝時開孔接管封頭單元網格劃分

圖3 無工裝時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

工裝結構組成見圖4,其中支撐桿和支撐柱材質為Q235B、支撐板材質為Q345R。為了探究不同數量和規格的工裝對開孔接管封頭熱處理形變量的影響,用不同數量和規格的支撐工裝進行熱處理模擬仿真。

圖4 工裝組成

2.2.1相同規格、不同數量的支撐桿工裝

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,通過對模型賦予材質、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值,比無工裝時形變量減少了1.331 mm,大大降低了開孔接管封頭熱處理時的形變量。

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,當支撐柱、支撐板和支撐桿規格相同時,支撐桿的數量越多,工裝防形變效果越好。經過分析最大形變量數值可知,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,但從使用性能和經濟角度上考慮,其性價比是最高的。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相同數量、不同規格的支撐桿工裝

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規格的支撐桿工裝模擬開孔接管封頭熱處理時的形變量,見圖11和圖12。由圖11可知,φ48規格的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規格的8根支撐桿工裝時的形變量多0.07 mm。由圖12可知,φ89規格的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規格的8根支撐桿工裝時的形變量小0.086 mm。

圖12 φ89規格的8根支撐桿工裝開孔接管封頭熱處理形變量分布圖

對比圖8、圖11和圖12可知,不同規格的8根支撐桿工裝時的形變量差僅為0.086 mm。從滿足形變量要求和經濟角度上考慮,φ48規格的8根支撐桿工裝的性價比最高。因此選用φ48規格的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開孔接管封頭熱處理形變量的影響不大。因此為了節省材料,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,對于封頭規格為EHA2000×12、接管規格為φ219×10的開孔接管封頭,最優的減小消應熱處理形變的工裝為布置φ48規格的8根支撐桿,其支撐板尺寸為100 mm×100 mm。

3 結論

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格工裝時的熱處理形變量分布圖,驗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,同時發現開孔接管封頭最大形變量位于兩個支撐桿的中間位置。

2)隨著支撐桿的數量增加,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)對于封頭規格為EHA2000×12、接管規格為φ219×10的開孔接管封頭,最優的減小消應熱處理形變的工裝為布置φ48規格的8根支撐桿,其支撐板尺寸為100 mm×100 mm。