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CF62球罐再次組焊角變形研究

文檔作者：李前楊金富徐維普文檔來(lái)源：上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月28日
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1 工程背景
．廣場(chǎng)
由于世博會(huì)選址的需要，寶
鋼集團(tuán)上海浦東鋼鐵有限公司兩
座已服役十年左右的400m 球罐需
進(jìn)行球罐現(xiàn)場(chǎng)切割，然后運(yùn)至新
址重新組焊安裝。球罐為國(guó)產(chǎn)武
漢鋼鐵公司生產(chǎn)07MnCrMoVR(CF一
62)材料，該球罐厚度為38mm，設(shè)
計(jì)壓力為3．09MPa，設(shè)計(jì)溫度為常
溫。該球罐為混合瓣式，共切割為
12片，部分宏觀照片見(jiàn)圖1。
本次球罐搬遷工程是兩座已
服役十余年的舊球罐經(jīng)切割后再
次組焊，在此過(guò)程中由于舊焊縫
的切除及其幾何尺寸的變化，難
免會(huì)引起球罐曲率的變化， 焊接
時(shí)該鋼板更加容易產(chǎn)生焊接角變
形。焊接角變形是球形儲(chǔ)罐焊接
C F62球罐再次組焊角變
形研究
李前楊金富徐維普
(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院上海200062)
【摘 要】?jī)膳_(tái)服役十年的CF一62球罐需進(jìn)行分拆搬遷，然后重新組
焊。對(duì)此工程中容易出現(xiàn)的焊后角變形進(jìn)行了研究，提出了工藝措
施，對(duì)序后的球罐驗(yàn)收具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】CF62鋼球罐再次組焊角變形
時(shí)不可避免的主要缺點(diǎn)，它的存
在會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)形狀變異，引
起應(yīng)力集中，是造成焊接結(jié)構(gòu)早
期失效的主要原因之一。而對(duì)于
本次特殊狀況，國(guó)內(nèi)外尚未進(jìn)行
過(guò)此方面的研究，因此，本文通過(guò)
有限元軟件建立球罐角變形模型，
對(duì)其極限尺寸進(jìn)行有限元應(yīng)力分
析，研究焊縫棱角區(qū)的應(yīng)力分布
情況和應(yīng)力水平，提供球罐組焊
驗(yàn)收依據(jù)和控制角變形的工藝措
施。
2 角變形有限元建模
本次球罐現(xiàn)場(chǎng)切割后，由于
運(yùn)輸、多次裝卸以及舊焊縫切割
后部分球殼板幾何尺寸的減少，
會(huì)產(chǎn)生曲率變形，易造成組裝后
李前(1 98 1一)助工。在上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院工作。
2 I石油和化工設(shè)置 0。
的焊縫角變形和錯(cuò)邊，這就給后
序的組裝、焊接增加很多困難。
球罐以連續(xù)圓滑的受力面均
勻地承受壓力，使其處于最佳狀
態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生角變形時(shí)，因圓滑的連
續(xù)面上產(chǎn)生了折變，使焊接后的
殘余應(yīng)力集中于此，形成附加的
彎曲應(yīng)力，從而減少材料在該處
的承壓能力，使球罐的整體安全
性降低¨1。所以球形壓力容器對(duì)其
焊縫角變形的要求非常嚴(yán)格，并
成為檢查驗(yàn)收的主要項(xiàng)目之一。
按照GB 150—1998《鋼制壓力容器》
的規(guī)定，限制棱角的最大高度不
能大于6mm；而GB12337—1998《鋼
制球形儲(chǔ)罐》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊前角變
形不超過(guò)7 mm，焊后角變形不超過(guò)
lOmm；但日本標(biāo)準(zhǔn)JLP A201中卻規(guī)
定，限制棱角的最大高度不能大
于15mmr 1?？梢?jiàn)，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于
限制棱角的最大高度也有較大的
差異。因此，為了準(zhǔn)確地掌握焊縫
棱角區(qū)的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力水
平，對(duì)球罐進(jìn)行了工況條件下的
有限元建模，進(jìn)行不同角變形參
數(shù)下的應(yīng)力分析和有限元計(jì)算，
研究組裝后球殼板的焊縫間隙和
角變形極限，以此對(duì)組焊后的球
罐進(jìn)行驗(yàn)收。該球罐的基本參數(shù)
如表1所示。
此次球罐有限元應(yīng)力分析關(guān)
鍵是討論焊縫棱角區(qū)的應(yīng)力分布，
根據(jù)球罐的對(duì)稱(chēng)性，取球罐的八
分之一作為計(jì)算模型，根據(jù)球罐
實(shí)際工況條件建立有限元模型，
如圖2所示。
3 角變形有限元模型計(jì)算
為了研究在不同棱角高度下
球罐的應(yīng)力分布狀況，建立了棱
角高度分別為8mm、10mm、12mm、
15mm和18mm的焊縫棱角有限元模
型，分外棱角和內(nèi)棱角兩種形式。
經(jīng)過(guò)有限元建模，根據(jù)實(shí)際工況
設(shè)置模型的約束參數(shù)，然后進(jìn)行
網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算和分析，
研究球罐的應(yīng)力分布狀況和棱角
區(qū)的最大應(yīng)力。圖3為外棱角高度
15mm時(shí)球罐的應(yīng)力分布，圖4為內(nèi)
棱角高度1 5mm時(shí)球罐的應(yīng)力分
布。
經(jīng)有限元計(jì)算分析，球罐在
不同棱角高度時(shí)的最大應(yīng)力值如
表2所示。圖5為棱角高度和球罐
最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的折線(xiàn)圖。從圖中
可以看出，隨著棱角高度的增大，
球罐的最大應(yīng)力隨著增加，且內(nèi)
棱角形式表現(xiàn)更為突出。由于
07MnCrMoVR材料的許用應(yīng)力為
203MPar ，從安全角度出發(fā)，焊縫
棱角區(qū)的應(yīng)力可視為一次局部應(yīng)
力，按照標(biāo)準(zhǔn)JB4732—1995用1．5倍
內(nèi)徑 9200mm 設(shè)計(jì)溫度 常溫
材質(zhì) 07MnCrMOVR 工作溫度 常溫
板厚 6=38mm 最高工作壓力 2．94MPa
設(shè)計(jì)壓力 3．09MPa 結(jié)構(gòu)形式 混合式三帶
盛裝介質(zhì) 氧(氮)氣 支柱數(shù)量 8(正切)
備注： 球罐由武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，1995年11月投用。
棱角高度 =In l(hm 12rrrn 15rnn 18rrm
棱角形式 外 內(nèi) 外 內(nèi) 外 內(nèi) 外 內(nèi) 外 內(nèi)
最大應(yīng)力 280 243 294 287 305 310 319 332 375 390
(MPa)
200。．。 石油和化工設(shè)備J 3
廣場(chǎng)
的材料許用應(yīng)力來(lái)加以限制， 因
此，認(rèn)為球罐的焊縫棱角區(qū)的高
度應(yīng)控制在12ram以下 1。
4 結(jié)論
對(duì)本次兩座服役后的舊球罐
經(jīng)切割移位后再次組焊時(shí)產(chǎn)生的
焊縫棱角進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過(guò)
約束條件，進(jìn)行有限元計(jì)算和分
析，該球罐再次組焊時(shí)的棱角高
度建議應(yīng)限制在12mm以下，以便
保證以后的安全使用。
現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，可以采用單片
組裝成形法，需要在每一塊球殼
板上點(diǎn)焊組裝用的定位塊，要在
組裝前翻動(dòng)或攤開(kāi)每塊球殼板，
也會(huì)減小球殼板的曲率。同時(shí)，增
設(shè)防變形弧板，合理安排焊接順
序以及正確選取焊接技術(shù)參數(shù)等
方法，將角變形控制在標(biāo)準(zhǔn)允許
有限元建模，根據(jù)實(shí)際工況定義 范圍內(nèi) 。
f31王嘉麟，侯賢忠．球形儲(chǔ)罐焊接工程技術(shù)『M1．北京：機(jī)械工業(yè)出版
社，1 999．
『41 A．Svs，Influence of an．qular distortion at a lonqitudinal ioint of a cy—
Iindrical pressure vessel rR]．ICPVT一3(Japan)．1 977．
“過(guò)濾分離工藝、設(shè)備技術(shù)咨詢(xún)與科學(xué)技術(shù)服務(wù)"正在進(jìn)行中
為了幫助企業(yè)解決過(guò)濾與分離工藝、設(shè)備選型、配套集成、正確操作與合理使用中遇到的問(wèn)題，中華過(guò)濾分離網(wǎng)
與天津大學(xué)化工學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程系、上?；ぱ芯吭夯瘜W(xué)工程及裝備研究所合作，開(kāi)展“過(guò)濾分離工藝、設(shè)
備技術(shù)咨詢(xún)與科學(xué)技術(shù)服務(wù)”活動(dòng)。為企業(yè)提供咨詢(xún)與答疑，并可對(duì)提供的欲分離物料性質(zhì)與過(guò)濾、分離的可行性進(jìn)
行測(cè)定與試驗(yàn)，提供試驗(yàn)結(jié)果。
技術(shù)咨詢(xún)與技術(shù)服務(wù)的具體內(nèi)容：
1．對(duì)過(guò)濾與分離的工藝流程(即過(guò)濾與分離崗位的上、下游)的合理性進(jìn)行技術(shù)分析。
2．根據(jù)欲分離物料的性質(zhì)、任務(wù)大小、要達(dá)到的分離要求等，正確選擇分離機(jī)械。
3．對(duì)欲采用的過(guò)濾介質(zhì)(濾布、濾網(wǎng)、濾芯、濾帶、濾膜等)進(jìn)行選擇。
4．對(duì)難分離物料進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)(如加入凝聚劑、絮凝劑、助濾劑表面活性劑、酶制劑等，或選擇其它重力、旋
流、氣浮等預(yù)處理技術(shù))。
5．對(duì)已選定的分離機(jī)械確定正確的進(jìn)行適宜操作條件的選擇。如：過(guò)濾設(shè)備：過(guò)濾介質(zhì)、操作壓力、操作溫度、加
料量、pH值的調(diào)整、進(jìn)料濃度、操作周期、濾餅厚度等； 離心分離設(shè)備：機(jī)型選擇，進(jìn)料濃度，操作條件，分離因
數(shù)，加料、分離、洗滌、卸料周期確定，濾布、濾網(wǎng)的選擇等。
6．如有必要，還可以上?；ぱ芯吭夯瘜W(xué)工程及裝備研究所或天津大學(xué)化工學(xué)院為依托另進(jìn)行相關(guān)的可行性試驗(yàn)。
以上兩家科研單位具有能從事過(guò)濾與分離技術(shù)的力量，以及相關(guān)儀器和專(zhuān)用設(shè)備，可從事物性測(cè)定、物料預(yù)處理及過(guò)
濾可行性試驗(yàn)與研究。
聯(lián)系單位：中華過(guò)濾與分離網(wǎng)(www．chinasepa．com) 聯(lián)系人：管士濤
電話(huà)：010-6491 5386 傳真：010-64945601 E-mail：chinasepa@l 63．com
4 I石油和化工設(shè)備． 0。．。

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