筒体组焊中撑圆效果的有限元分析①

王咏梅 蔡业彬 张铱鈖 郭 航

(1. 广东石油化工学院机电工程学院；2. 太原理工大学化学化工学院；3.中石化宁波工程有限公司)

筒体组焊中撑圆效果的有限元分析①

王咏梅1，2蔡业彬1张铱鈖2郭 航3

(1. 广东石油化工学院机电工程学院；2. 太原理工大学化学化工学院；3.中石化宁波工程有限公司)

介绍了国内现有的压力容器的筒体撑圆方式和撑圆装置。以钢制列管式固定管板换热器的筒体尺寸为例，对撑圆效果进行有限元分析，得到筒体内径、壁厚及支撑杆数等参数对筒体变形和应力的影响规律，确定经济有效的撑圆结构形式。

压力容器 筒体 撑圆装置 椭圆度 有限元

随着化工行业的技术革新，化工设备也在向着大型化和高质量化发展，大型的筒体在化工制造业中越来越常见，但随之而来的却是筒体尺寸难以控制、筒节组对焊接时难以定位等问题。在化工容器制造中，如何高效、高质量地进行B类焊缝的焊接，一直是个难点，而筒体的椭圆度对于焊接质量的控制有着重要的作用。筒体在火焰切割、焊接及热处理等工序都会由于应力引发变形产生一定的椭圆度，而下料、成型和组装时的误差也会引起椭圆度的变化[1]。筒体本身的自重也会对筒体椭圆度造成影响，尤其是卧式筒体。所以，研究筒体撑圆效果有很重要的意义。

1 筒体撑圆方式及其研究现状

我国在20世纪80年代已经开始关注筒体矫圆的问题，最初的容器筒节组对方式是采用卡兰、角铁、楔子等简易工具[2]人力矫圆或者在卷板机上进行滚压矫圆和加热矫圆。直到现在，卷板机 滚压矫圆法和加热矫圆法依然在使用，尤其对于 筒体变形较大的情况，滚压矫圆法仍有不可替代的优势。而对于筒体变形较小或者用于支撑筒体防止变形的情况，较之前的使用楔子等工具稍有改进的是国内某些机械厂根据筒体变形程度或刚度大小采用一根到两根撑杆对筒节进行支撑，以千斤顶为动力支撑撑杆并将撑杆点焊于筒体上以控制其椭圆度，或者采用多块弧板对筒体进行点焊固定(图1)。但判断一段筒节是否需要支撑杆

图1 机械厂现用的改善筒节椭圆度的方法

支撑或者需要几根支撑杆支撑的依据却多是制造者的经验。人力控制组对间隙和错边量，不易保证对口和焊接质量，而且还会造成大量材料和时间的浪费。

国内学者对于筒体撑圆装置的研究多为对数量不等的支撑头或者支撑杆施加机械力或者人力进而调节筒体椭圆度以达到矫圆的目的，但是对支撑头(杆)数量的设置和对于不同尺寸筒体的矫圆效果皆没有做详细分析，没有一定的数据支撑，故经过分析得出经济有效的支撑结构是很有必要的。

2 筒体在不同结构撑圆装置作用下的有限元分析

使用ANSYS12.5软件对筒体在不同结构撑圆装置作用下的效果做有限元分析。由于初始椭圆度值不可控，为了计算简便且数据可靠，以筒体置于地面或者平台上由重力引起的变形为初始椭圆度值，在初始椭圆度值的基础上对筒体进行矫圆效果的分析。又因为筒体为圆柱体，所以选用1/2模型。单元类型选用PLANE 42，PLANE42单元多被用于压力容器中筒体、封头、法兰和管板的建模[3]，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形和大应变的能力。筒体材料选择压力容器中广泛应用的Q345R，笔者采用的kg-m-s单位制，材料特性为弹性模量EX=206GPa，主泊松比PRXY=0.28，密度DENS=7850kg/m3。

筒体的加载过程根据支撑杆个数的不同分为不同的载荷步。认为分别在0、90、±45°方向有8根支撑杆且这8根撑杆两两对应，某个方向相对 应的支撑杆作用于筒体就认为加载某个方向的 力。筒体在被支撑杆支撑的过程中，直径、壁厚等参数的变化对于筒体端面圆度误差和内部的应力影响很大[4]。以DN2000mm、δ14mm的筒体为例，加载过程分为4个载荷步，首先是自重作用于筒体产生一定的椭圆度变化(图2a)；其次是分别加载竖直方向(图2b)和水平方向的位移载荷(图2c)；最后是加载±45°方向的位移载荷(图2d)。图2为各载荷布加载完成后的应力变化图，可以非常清晰地看出随着支撑杆数的变化筒体的变形趋势和应力变化情况。

图2 筒体受8根支撑杆作用的矫圆情况

显然，随着支撑杆数的增加筒体的应力分布越来越均匀，应力分布情况越来越好，也就是说，支撑杆数越多，对应力分布的改善越有利。

笔者以钢制列管式固定管板换热器[5]设备尺寸为例，由于换热器筒体以内径为公称直径，故文中的直径皆以内径为准，从两方面进行分析：第一，直径相同、壁厚不同时，支撑杆数的不同对撑圆效果的影响；第二，直径不同、壁厚相同时，支撑杆数的不同对撑圆效果的影响。

2.1 直径相同、支撑杆数和壁厚不同对撑圆效果的影响

分析第1方面时，根据设计手册[5]，选取直径Di为1.5m，壁厚分别为0.012、0.014、0.016、0.018、0.024m，进行分析比较。直径相同、支撑杆数、壁厚不同时筒体的最大变形见表1、最大应力见表2。

表1 支撑杆数不同且壁厚不同时筒体的最大变形

表2 支撑杆数不同且壁厚不同时筒体的最大应力

显然，直径相同、壁厚不同的筒体，其变形量和最大应力都随着支撑杆数的增加逐渐减小，其中，筒体变形量减小幅度最大的是在两根支撑杆作用情况下，最大应力减小幅度最大的是4根支撑杆；无论变形量还是最大应力都在小于8根支撑杆时随着支撑杆数量的增大而明显减小；而在大于8根支撑杆时随着支撑杆数量的增加亦减小，但是减小幅度很小几乎可以忽略。

2.2 壁厚相同、直径和支撑杆数不同对撑圆效果的影响

分析第2方面时，同样根据设计手册[5]中钢制列管式固定管板换热器的设备尺寸规定，选取固定壁厚0.014m，直径范围1.5～2.0m的筒体进行分析。壁厚相同、直径不同时筒体受不同数量支撑杆作用的变形量见表3，最大应力见表4。

表3 支撑杆数不同且直径不同时筒体的最大变形

表4 支撑杆数不同且直径不同时筒体的最大应力

显然，同直径相同、壁厚不同的筒体变形量和最大应力随着支撑杆数的变化量相似，直径不同、壁厚相同的筒体的变形量和最大应力随着支撑杆数的增加而减小。其中，支撑杆数量为2时筒体变形量减小幅度最大，支撑杆数为4时最大应力减小幅度最大；无论变形量还是最大应力都在支撑杆数小于8时随着支撑杆数的增大而明显减小；同时在支撑杆数大于8时随着支撑杆数的增加亦减小，但减小幅度很小几乎可以忽略。

3 结论

3.1 随着支撑杆数的增加，筒体的变形量和最大应力皆逐渐减小，矫圆效果越来越好。

3.2 两根支撑杆作用时筒体变形量变化最剧烈、矫圆效果最显著，4根支撑杆时筒体最大应力变化最剧烈、应力改善最显著。

3.3 小于8根支撑杆时，随着支撑杆数的增加，筒体变形量和最大应力越来越小且变化显著，大于8根支撑杆时，随着支撑杆数的增加，筒体变形量和最大应力也越来越小，但变化很小几乎可以忽略。

3.4 综合分析可知，考虑到经济性、撑圆效果和应力分布，支撑杆数为8根时撑圆效果最理想；若是只考虑到筒体撑圆效果和经济性，对于钢制列管式固定管板换热器的设备尺寸来说，4根支撑杆足以将筒体变形量控制在0.15mm以下，完全符合国内外有关筒体椭圆度的各类标准。

[1] 王绍胜.常见压力容器制造变形的预防措施[J].石油工程建设，1999，25(6)：26～28，58.

[2] 方仕庆，曹振锋.压力钢管撑圆校正工装设备的工艺革新[J].水利科技与经济，2011，17(12)：92～93.

[3] 栾春远.压力容器ANSYS分析与强度计算[M].北京：水利水电出版社，2008：343.

[4] 薛隆泉，陈军涛，刘荣昌，等.罐体组对设备中筒体和支撑特征参数的研究[J].机车车辆工艺，2005，(4)：4～6，10.

[5] 燕山石油化学总公司设计院，兰州化学工业公司工设计院编.钢制列管式固定管板换热器结构设计手册[M].上海：化工部设备设计技术中心站，1984.

2016-02-21，

2016-11-02)

(Continued from Page 46)

AbstractTaking water-jet cleaning of a 200m-long and 300mm-diameter pipeline with grease stain as an example, the whole cleaning scheme was designed, in which, having basic parameters identified to select or design each structural components for the cleaning; and each component of the cleaning was introduced and both cleaning process and risk control were described. Economic analysis explicitly expresses the advantages of this water-jet cleaning technology.

Keywordspipeline cleaning,high-pressure water jet, cleaning parameter

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FiniteElementAnalysisofInnerSupportingEffectinCylinderAssemblyandWelding

WANG Yong-mei1，2, CAI Ye-bin1,ZHANG Yi-fen2，GUO Hang3

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology; 2.CollegeofChemistryandChemicalEngieering,TaiyuanUniversityofTechnology; 3.SinopecNinboEngineeringCo.,Ltd.)

The cylinder assembly and welding equipment for pressure vessels at home was introduced. Taking cylinder size of a steeled fixed-tube-sheet heat exchanger for an example, making use of finite element analysis method to analyze structure parameters of the inner supporting device was implemented to obtain the law of influence of cylinder parameters such as cylinder diameter, thickness, number of inner supports on the cylinder deformation and stress so that a economic and effective structure of inner supporting device can be determined.

pressure vessel, cylinder, inner supporting device, ovality, finite element

广东省自然科学基金项目(9152500002000003);广东省教育部产学研结合项目(2010B090400237);广东省教育厅科技创新项目(2012KJCX0076)。

王咏梅(1990-)，硕士研究生，从事筒体组对撑圆装置的研究。

联系人蔡业彬(1968)，教授，从事过程机械、机电一体化、高分子材料加工工程、流变学及其应用方面的研究，303977251@qq.com。

TQ050.3

A

0254-6094(2017)01-0064-05