蛇管式换热器
板翅式换热器
管式换热器设计
煤气换热器
新闻动态
加氢换热器角焊缝密封接头焊缝结构优化点击：1882 日期：[ 2014-04-26 21:57:47 ] |
| 加氢换热器角焊缝密封接头焊缝结构优化 陆晓峰 赵 翠 (南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009) 摘要：利用有限元软件ABAQUS,针对加氢高压换热器焊接密封结构的焊接残余应力开发了一个顺次耦合的焊接热应力计算程序,讨论焊缝角度及焊缝尺寸对焊接残余应力的影响,得到了加氢高压换热器焊接密封结构温度场、应力场分布情况以及最大焊接残余应力的位置及大小,为预防加氢高压换热器焊接密封结构的失效提供参考。 关键词：加氢换热器;密封接头;焊缝尺寸;正交试验;残余应力 中图分类号：TG 407 文献标志码：A 换热器作为装置系统能量平衡和能量回收中不可缺少的关键设备,随着石油化工装置向着大型化和高参数方向的不断发展,其体积和质量也越来越大。为此,设备的长周期安全运行已越来越受到有关行业的高度关注。高压加氢换热器作为加氢装置的主要设备之一,担负着原料油与反应生成油的热量交换任务,由于设备的操作压力和温度均较高,介质属于易燃、易爆的油气类,因此换热器一旦泄漏,后果将十分严重。某公司加氢装置中有多台换热器的管箱密封结构采用了平板形焊接密封结构,其中较多的采用了角焊缝焊接密封接头[1~3]。该密封结构具有密封可靠、寿命长的特点,但在长期的高温、高压和临氢环境下,此焊缝结构易出现裂纹,甚至开裂而引起泄漏[4]。因此,研究焊接密封接头处残余应力及其影响因素[5],并对焊接密封结构进行优化,对延长密封结构寿命以及保证加氢装置长周期安全运行具有重要的工程意义。 目前,国内外对焊接密封结构残余应力有限元模拟及其影响因素研究尚未查到相关文献。文中利用有限元软件ABAQUS[6],对加氢高压换热器管箱法兰的角焊缝焊接密封接头的焊接残余应力进行了数值分析,讨论了焊缝角度和焊缝尺寸的大小对焊接残余应力的影响,得到了焊接部位的温度场和应力场的分布规律。 1 计算模型 1.1 高压换热器管箱法兰参数 研究对象为加氢高压换热器管箱法兰的平板式焊接密封结构。有关参数为,管程设计压力为16.9 MPa,设计温度272℃。管箱法兰、盖板材料均为16Mo5。实心圆平板尺寸为Φ1 212 mm×10 mm,材质0Cr18Ni9。管箱法兰表面有5 mm厚的0Cr18Ni9堆焊层,计算模型见图1。 1.2 角焊缝焊接密封接头几何模型假设材料变形为线性强化弹塑性模型[7~9],管箱法兰焊接密封结构角焊缝的详图见图2。从分析应力角度出发,选取了2条路径(BC和AD),路径BC为位于法兰上的焊缝(轴向),路径AD为在实心圆平板上的焊缝(径向)。 焊接采用焊条电弧焊,共分3个焊道,焊脚高度为7 mm。第1焊道焊条A302,第2和第3焊道的焊条A132,焊接规范见表1[10]。需要注意的是,在第1焊道、第2焊道焊接结束后应冷却5 min后再进行下一道焊接,焊接结束后应自然冷却到常温。由于是多道焊工艺,不能对每次焊接后焊缝的实际尺寸进行测量,所以将每个焊道尺寸简化成如图3所示形式。图中,MN为第1焊道的焊脚高度,NG为第2焊道的焊脚高度,并假设第2焊道和第3焊道的焊脚高度相同。 1.3 板式焊接密封结构有限元模型 利用有限元软件ABAQUS6.5,开发一个顺次耦合的热应力计算程序来模拟板式焊接密封结构的焊接残余应力。计算过程如下:①进行热分析。将各节点温度场的计算结果输出到结果文件作为力分析的预定义场,在力分析过程中从此预定义场中读取各节点温度,进行插值计算。②通过施加内生热模拟电弧的加热作用,运用单元激活技术(modelchange remove or add)模拟多道焊的情形。③热分析和力分析使用相同的单元和节点。 考虑到模型的对称性,取模型的1/2进行分析。以中心面为对称面建立模型,采用结构性网格,生成1 521个节点,1 422个单元。ABAQUS的热模拟选用四节点对称单元DCAX4,残余应力模拟选用CAX4单元,网格划分见图4,图中网格的疏密分别表示焊缝附近温度变化较小及很大。 2 正交试验表设计 在数值模拟中,为了减少模拟次数,安排一组L9(33)的正交试验方案,同时对试验结果进行正交分析,找到一组角焊缝焊接密封接头最优的焊缝角度及尺寸,为进一步研究焊接密封接头的开裂提供借鉴。 为了尽可能减少模拟次数,考察焊缝角度α、MN及NG对焊接残余应力的影响,宜选用正交试验法[11]。考虑到上述4个焊接工艺参数之间没有交互作用,因此以它们作为因子,每个因子取3个值作为水平,共进行9组试验,如此设计的L9(33)正交表见表2。 3 数值模拟结果和正交分析 3.1 数值模拟结果 根据正交试验表,通过有限元软件ABAQUS的计算依次得出了路径BC在每组焊缝结构下的焊接残余应力值。表2中序号1~9在不同焊缝结构下,路径BC焊接残余应力数值模拟结果的比较见图5。路径BC和路径AD在同一焊接结构下的焊接残余应力的比较见图6,其对应的焊缝结构角度α=45°,MN=3 mm,NG=4 mm。 由图5可以看出,①在不同的焊缝结构下,路径BC各点焊接残余应力的变化趋势是相同的,焊接残余应力极值分布在距焊缝0~5 mm内,距离焊缝越远焊接残余应力越小。②图5a的焊接残余应力极值的最小值出现在第2组,数值为256 MPa。③图5b的残余应力极值的最小值出现在第5组,数值为257 MPa。④图5c的残余应力极值的最小值出现在第7组,数值为248 MPa。⑤图5c的焊接残余应力与其他两图相比,应力集中且应力变化梯度较大,并出现了序号1~9组中焊缝应力的最大值和最小值。 由图6可以看出,①焊缝连接的2个部件,其焊接残余应力的变化在0~30 mm内是相似的。②在焊缝及焊缝附近,路径BC和路径AD有同样大的焊接残余应力极值,其数值均为257 MPa。但路径BC极值位于距焊缝0~5 mm,路径AD极值位于距焊缝0~11.6 mm。③路径BC的焊接残余应力随着距离焊缝越远,焊接残余应力逐渐递减,在37mm附近出现最小值35 MPa。④路径AD的焊接残余应力在距离焊缝20 mm处出现最小值66 MPa。由以上分析可知,实心圆平板垫片的焊接残余应力极值范围比法兰要大。在远离焊缝处,实心圆平板垫片的焊接残余应力值比法兰部位的焊接残余应力值要大,且实心圆平板垫片的焊接残余应力分布比法兰上的焊接残余应力分布复杂得多。 3.2 正交分析 以每组模拟结果中应力极值作为考察目标,根据正交试验数据处理方法,就可以分析焊缝角度a、尺寸MN及NG的大小对焊接残余应力的影响,正交分析结果见表3。表中,Ki(i=1,2,3)为每列因子在每个水平上的Mises应力极值之和,ki(i=1,2,3)为Ki的平均值,Δi为极差,Δi= maxki-minki,MPa。 表3列出了每组模拟结果中的应力极值计算ki和Δi,从中可以看出,ΔNG>Δα>ΔMN。由此说明在3个因子中,NG对焊接残余应力的影响最大,角度α的影响其次,MN影响最小。因素NG的第3水平对应的应力值最小,即第3水平最好。同理得到因素角度α的2水平,因素MN的2水平为最好。因此,得到使得残余应力极值最小的最佳焊缝结构,即NG=4 mm,MN=2 mm,α=45°。 4 结语 加氢高压换热器角焊缝焊接密封接头在不同组合的焊缝结构下的焊接过程和冷却过程的焊接应力中,在焊缝及焊缝热影响区内的焊接残余应力最大。而且这些部位受力复杂且受力不均匀,极易发生裂纹。设计时,应采取必要的焊后热处理以降低焊接残余应力,防止发生泄漏失效。 此计算分析结果可对加氢高压换热器角焊缝焊接密封接头的实际焊缝结构选择提供参考,也为进一步研究和分析该类换热器焊接密封接头的开裂失效提供了一定的依据。 参考文献： [1] 陈立魁,杨瑞增,陈 晴.焊接密封的结构及使用[J].大氮肥,1998,21(4):284-286. [2] 朱小四,王会义.焊接垫片的应用实践[J].化工设备设计,1999,36(3):21-23. [3] Zhong Yongfang,Yao Zelong,Zhao Yunsong.Discussion onCalculation Method of Gasket Free Welding Sealing Flange[J].Chemical Fertilizer Design,2006,44(3):36-37,44. [4] Olson D L,Lasseigne A N,Marya M,et al.Weld Features thatDifferentiate Weld and Plate Corrosion[J].ASM Practical Fail-ure Analysis,2003,3(5) :43-57. [5] 涂善东.高温结构完整性原理[M].北京:科学出版社,2003. [6] Hibbit Karlsson.Abaqus User Manual[M].USA:PawtucketR I,2003. [7] Tsoliang Teng,ChihchengLin.Effect of Welding Conditions onResidual Stresses Due to Butt Welds[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1998,75(12):857-864. [8] 张国栋,周昌玉.管道对接间断焊与连续焊的有限元分析[J].焊接学报,2006,27(12) :85-88,92. [9] 蒋文春,巩建鸣,陈 虎,等.SS304半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟[J] .焊接学报,2006,27(10):77-80. [10] Dong P.Residual Stress Analysis of a Multi-pass Girth Weld:3-D Special Shell Versus Axisymmetric Models[J] . ASMEJournal of Pressure Vessel Technology, 2001, 123 (5): 207-213. [11]方开泰,马长兴.正交与均匀设计[M].北京:科学出版社,2001.(许编) |
| 上一篇：高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用 | 下一篇：钛材换热器硅酸盐垢的化学清洗研究 |