摘要：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。