本文用有限元软件模拟真实环境下对液化气球罐的整体热处理,进行了热分析和结构分析。就其本质而言,这个仿真过程是对热处理真实过程的抽象,与实际的过程相比,可以更高效、更节省、更灵活、更完全地了解球罐在整体热处理过程中的应力状态。
关键词:热应力分析 强度校核 球罐 热处理
1 引言 随着计算机技术的迅猛发展,发达国家的制造业广泛地采用了计算机技术,ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＡＥ、ＦＭＳ等技术已得到了普及应用。有限元分析方法已被广泛应用于制造过程的计算机仿真,如金属成型加工过程的计算机模拟、铸造和焊接凝固过程的数值模拟、热处理过程的金属组织内部应力分布的模拟等。这些仿真模拟是构成虚拟制造最主要的部分。 但是现实生产中的环境是千差万别的,要模拟真实,计算模型就必须考虑实际生产所用的结构、材料、工艺参数。尽管目前对材料热处理以后的性能已有计算模拟的研究,但对大型工业结构在现场热处理状态下的热响应却还鲜见研究报道,因此目前人们还难于预见诸如容器、球罐类结构在现场整体热处理过程中可能出现的问题。 某厂对大型液化气球罐进行检验中发现焊缝局部有裂纹存在,于是进行了打磨补焊。为了消氢、消除残余应力和降低焊缝及热影响区的硬度,需要对球罐进行整体热处理。由于在热处理过程中,支柱基础上的固定约束无法解除,在支柱的根部和支柱与球罐连接处可能会出现较大的热应力。为了防止热处理过程中发生意外失效,很有必要对现场热处理过程所产生的应力进行模拟,以确保一次处理成功。为此、本文对该液化气球罐热处理过程中的热应力进行了有限元模拟,并按照ＪＢ4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》的规定进行了强度校核。 2 球罐的热处理方案 对球罐进行整体热处理以消除焊接残余应力,是防止湿Ｈ2Ｓ环境下开裂的有效方法之一。球罐整体热处理的基本工艺是以小于162℃/ｈ的速度升温,到570℃后保温2 6小时,然后以小于206℃/ｈ的速度降温。在整体热处理过程中,最大温差不超过±15℃。在球罐外面以及支座的上部加一层25ｍｍ厚的石棉保温层,中心用火焰直接加热,同时通过温控仪对球罐壁温进行控制,球罐周围的环境为293Ｋ。由于球罐支座上的地脚螺栓已无法拆卸,球罐在温度作用下的膨胀受到限制,由此产生热应力。很显然,最大热应力应发生在热处理的最大温度段。 3 有限元模型的建立 热应力是和温度场的改变联系在一起的,它是位置坐标和时间的函数。热应力的分析包括两个部分:一是球罐在内部热源加热下的的传热分析,以得到整体温度场的分布:然后根据温度场进行热应力分析。本文应用大型商用有限元程序ＡＮＳＹＳ5 4中的热一应力顺序耦合分析方法对球罐的整体热处理进行模拟。 3 1 三维立体模型的建立 在进行热处理时,在球罐外面以及支座的上部加上了一层石棉保温层,根据设计图纸,采用了ＡＮＳＹＳ的建模技术,可以得到整体结构图,如图1所示。 
球壳外径Ｄ1ｏ=12410ｍｍ,球壳壁厚ｔ1=34ｍｍ,材质为ＳＰＶ50Ｃ;球壳南北极接有人孔,人孔的直径ｄ=315ｍｍ;球壳在赤道处支撑在8个均匀分布的尺寸为 =508×12 7ｍｍ的支柱上。支柱材质分为两部分,其上部:Ｌ1=2 8ｍ为ＳＰＶ50Ｃ,下部:Ｌ2=5 9ｍ为ＳＴＫ41;保温层的厚度均为25ｍｍ;考虑到整体结构的对称性[6],可取出其中1/8结构来进行网格划分和热应力分析,如图2所示。 3 2 热分析 在热分析中主要通过球罐在热处理过程中所受的热载荷,求出球壳中的温度分布。根据球罐热处理的条件,本模型的热分析可认为是一个稳态传热分析,其边界条件:球罐内壁面为一个恒定温度场,石棉保温层的外壁面与周围大气进行对流传热。 
热分析采用热—结构耦合单元中的三维热分析单元(Ｓｏｌｉｄ70),参见图2。如图2所示对1/8球罐结构进行网格划分。单元总数为45759,节点数为13107。 同时定义材料的比热、传热系数等传热特性,由于材料的传热特性与温度有关,呈非线性关系,因此热分析为一个非线性的基本过程。 
热载荷:球罐内壁面为一个恒定温度场 Ｔ2=858Ｋ; 环境(空气)温度为: Ｔｏ=293Ｋ在该温度下,空气对流系数σ=3 6Ｗ/ｍ2·Ｋ 球壳的温度分布如图3所示,可以看到保温层外支柱的温度迅速降到环境温度。 温度沿壁厚方向的分布如图4所示,可以看到由于保温层的存在,温度在球罐中的降低并不显著,在石棉中下降比较明显。 
3 3 结构分布 在结构分析中,先把上面热分析得到的节点温度作为“体载荷”施加到球壳上,然后进行结构分析,求出球罐的热应力。 在结构分析中,采用与热—结构耦合单元中热分析单元Ｓｏｌｉｄ70耦合的三维结构单元Ｓｏｌｉｄ45重新定义单元类型。 同时定义材料的泊松比、弹性模量、热膨胀系数等结构特性,由于材料的结构特性也与温度有关,呈非线性分布,因此结构分析同样也是一个非线性的基本过程。 
计算时考虑的载荷有: 球罐所受的温度载荷:球罐的自重130670ｋｇ; 保温层的重量5770ｋｇ; 约束条件:在图2所示1/8球壳的两侧厚度平面上施加对称约束;在球壳支柱的基座上施加固定约束。 3 4 结构分析 球罐的变形情况参见图5,从图中可看出,由于受到支柱的约束,球罐的下部分变形比上部分变形小。 从图6可以看出,支柱与球壳连接处以及支柱根部的应力比较高,支柱与球壳连接处的应力81 5ＭＰａ,支柱根部的Ｍｉｓｅｓ应力为41 6ＭＰａ,由有限元分析结果可知,球壳中最大应力点在支柱与球壳连接处(如图6所示),其应力分量为: |
