重型压力容器封头新型吊具优化分析

刘明超

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

重型压力容器封头通常具有体积大和重量大的特点，传统吊装方式是在封头的外凸面上焊接几个吊耳，利用吊耳进行起吊和转移。由于重型压力容器封头需要热处理，热处理后出炉的温度较高，操作环境比较恶劣，并且吊装后，吊耳需去掉，因此采用这种传统的吊耳吊装方式很不方便，效率也比较低。为了尽量避免外界环境的影响，提高重型压力容器封头件的吊装效率，因此提出了一种封头新型吊具的构想方案。

1 吊具设计

构想方案主要思路是：设计一种吊装工具，可以减小外界环境因素的影响，同时也可不用焊接吊耳。

具体设计为一种封头新型吊具，拉板一端与起吊钩连接，另一端通过圆柱销与挂板连接，此挂板可以绕销90°转动。当需要进行吊装操作时，将挂板转动至与拉板平行位置，然后垂直从封头顶部开孔处放入，到位后将挂板转动至与拉板垂直，挂板此时呈水平撑开状(撑开时的长度要大于封头的开孔直径)，挂板上表面接触开孔附近的封头内侧表面，操作吊钩提升拉板，从而进一步提升封头。具体的操作吊装示意图见图1。

图1 吊装示意图Figure 1 Lifting

该封头新型吊具的优点为：操作灵活、操作方法简单，方便重复使用、自动化程度高、效率高等。封头新型吊具的构思模型建立后，其能否满足实际吊装工况的要求还需要进一步的力学验证。由于其结构形状不规则，受力后应力分布比较复杂，因此无法利用简单的力学模型进行核算，特别是挂板形状呈T字形，其实际工作时的应力分布情况无法用标准模型的力学公式进行核算。因此，为确保该封头新型吊具承载后能够满足使用要求，需要采用ANSYS软件对挂板进行详细的有限元模拟分析。其它关键部位可采用简化公式进行核算[1]，经核算，其它部位均能满足使用要求。

2 有限元应力分析

运用ANSYS软件中的结构静力分析，研究结构在承受设定静力的状况下，各个部位的形变、应力等情况。研究有线性与非线性的区别，对封头新型吊具采用的是线性研究。考虑到具体的使用强度和生产操作环境，要求挂板材料具备较高的强度和耐热性、工艺性和经济性。材料假定为2.25Cr1Mo，根据材料力学教程，得到此材料参数[1]，泊松比为0.25，密度为7900 kg/m3，弹性模量为2.1×1011Pa。

2.1 建立几何模型

根据挂板的实际尺寸建立三维实体模型，模型与实物形态一致，如图2所示。

图2 几何模型图Figure 2 Geometric model

2.2 建立有限元模型

采用较精确实体单元类型、六面体网格优先的方式，对模型进行网格划分。划分后的有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型图Figure 3 Finite element model

2.3 约束和施加载荷

受力分析前，要对挂板施加约束与载荷。研究中，按实际使用工况的载荷情况，对封头新型吊具的有限元模型进行约束和加载。限制约束的部位为挂板穿圆柱销孔处，因封头重量约为40 t，即作用于挂板两臂接触面上竖直向下的400 kN的均布力，通过ANSYS求解器对有限元模型进行分析计算，如图4所示。

图4 约束和加载图Figure 4 Constraint and loading

2.4 分析求解

通过分析求解得到模拟应力分布云图，显示出最危险位置及最大应力数值，如图5所示。

图5 模拟应力云图Figure 5 Cloud chart of simulation stress

3 材料性能与结构优化分析

经模拟分析，得到挂板受力后产生的实际最大等效应力区域为两臂圆角表面处，最大等效应力为213.5 MPa。两臂圆角表面处应力明显增大，如有裂纹等失效情况首先将在此处产生，在操作使用过程中，静力分析可用于对工件的裂纹趋势提供重要参考。得到最容易失效处的最大应力后，再考虑安全系数，可以得到挂板材料所能允许的最大许用屈服应力。因此，在选用材料时，依据此结果，考虑到高温，不能选择一般结构钢材料。2.25Cr1Mo钢的化学成分见表1。

表1 2.25Cr1Mo钢化学成分[3](质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 2.25Cr1Mo steel (mass fraction, %)

根据封头新型吊具具体的工作环境，要求当吊具处在高温工作状况下时，材料屈服强度仍能满足通过有限元分析软件ANSYS得出的数值。由于细晶粒钢材料中含有钼、钛、钨、钒等，这些合金元素能够抑制晶粒进一步长大，并使钢发生过热敏感性的几率减小[3]，因此具有良好的力学性能。在300～550℃温度区段内，2.25Cr1Mo材料的钢板由于钢中夹杂物较少，而强碳化物含量较多，因此性能优越且稳定。钢板在经历热处理后，钢板的基体组织未见明显变化，仍为回火贝氏体组织，不变的组织形态决定了钢板性能的稳定性[2]。钢板的常温和高温力学性能符合表2和表3的规定。

表2 2.25Cr1Mo室温力学性能Table 2 Mechanical property of 2.25Cr1Mo steel at room temperature

表 3 2.25Cr1Mo高温力学性能[3]Table 3 Mechanical property of 2.25Cr1Mo steel at high temperature

经过综合考虑，2.25Cr1Mo材料钢材满足使用要求。此种情况是按照将挂板底面设计为平面的情况下，得到结构优化后的结果。如果将原挂板底面设计为圆弧面，即底面的圆弧面与两臂和封头接触的受力面同一个圆心。将该结构经过ANSYS求解器分析，得到挂板在受力后产生的实际最大等效应力区域仍然为两臂圆角表面处，其值为319.1 MPa，此时得到的最大等效应力值比结构优化后的最大等效应力值(213.5 MPa)增大较多。分析几何模型与机构模拟应力结果见图6和图7。该结构制造过程难度大，选材要求提高，成本将进一步增加，因此摒弃了此种结构，采用经分析验证后更可靠的结构。

图6 原几何模型图Figure 6 Original geometric model

图7 原结构模拟应力云图Figure 7 Cloud chart of original structure simulation stress

4 结论

封头新型吊具弥补了传统吊装方式中用吊耳所产生的不足，具有诸多优点。通过有限元分析软件ANSYS对优化后的挂板进行受力分析，模拟得到挂板的应力分布情况，可知材质为2.25Cr1Mo时可以确保挂板的受力要求，其次在特殊工作环境下对拟用材料本身性能的研究和对挂板的另外一种结构形式的探讨，最终得到能满足封头吊装要求的新型吊具，即该吊具用2.25Cr1Mo材料按第一种机构形式制造加工而成。该结论也对封头新型吊具的进一步优化提供了重要的参考价值。所以该新型吊具完全能够满足重型容器封头的吊装要求，达到了生产单位最初的预期效果。