重型壓力容器封頭新型吊具優(yōu)化分析

劉明超

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

重型壓力容器封頭通常具有體積大和重量大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)吊裝方式是在封頭的外凸面上焊接幾個(gè)吊耳，利用吊耳進(jìn)行起吊和轉(zhuǎn)移。由于重型壓力容器封頭需要熱處理，熱處理后出爐的溫度較高，操作環(huán)境比較惡劣，并且吊裝后，吊耳需去掉，因此采用這種傳統(tǒng)的吊耳吊裝方式很不方便，效率也比較低。為了盡量避免外界環(huán)境的影響，提高重型壓力容器封頭件的吊裝效率，因此提出了一種封頭新型吊具的構(gòu)想方案。

1 吊具設(shè)計(jì)

構(gòu)想方案主要思路是：設(shè)計(jì)一種吊裝工具，可以減小外界環(huán)境因素的影響，同時(shí)也可不用焊接吊耳。

具體設(shè)計(jì)為一種封頭新型吊具，拉板一端與起吊鉤連接，另一端通過(guò)圓柱銷與掛板連接，此掛板可以繞銷90°轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要進(jìn)行吊裝操作時(shí)，將掛板轉(zhuǎn)動(dòng)至與拉板平行位置，然后垂直從封頭頂部開孔處放入，到位后將掛板轉(zhuǎn)動(dòng)至與拉板垂直，掛板此時(shí)呈水平撐開狀(撐開時(shí)的長(zhǎng)度要大于封頭的開孔直徑)，掛板上表面接觸開孔附近的封頭內(nèi)側(cè)表面，操作吊鉤提升拉板，從而進(jìn)一步提升封頭。具體的操作吊裝示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 吊裝示意圖Figure 1 Lifting

該封頭新型吊具的優(yōu)點(diǎn)為：操作靈活、操作方法簡(jiǎn)單，方便重復(fù)使用、自動(dòng)化程度高、效率高等。封頭新型吊具的構(gòu)思模型建立后，其能否滿足實(shí)際吊裝工況的要求還需要進(jìn)一步的力學(xué)驗(yàn)證。由于其結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，受力后應(yīng)力分布比較復(fù)雜，因此無(wú)法利用簡(jiǎn)單的力學(xué)模型進(jìn)行核算，特別是掛板形狀呈T字形，其實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力分布情況無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模型的力學(xué)公式進(jìn)行核算。因此，為確保該封頭新型吊具承載后能夠滿足使用要求，需要采用ANSYS軟件對(duì)掛板進(jìn)行詳細(xì)的有限元模擬分析。其它關(guān)鍵部位可采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行核算[1]，經(jīng)核算，其它部位均能滿足使用要求。

2 有限元應(yīng)力分析

運(yùn)用ANSYS軟件中的結(jié)構(gòu)靜力分析，研究結(jié)構(gòu)在承受設(shè)定靜力的狀況下，各個(gè)部位的形變、應(yīng)力等情況。研究有線性與非線性的區(qū)別，對(duì)封頭新型吊具采用的是線性研究?？紤]到具體的使用強(qiáng)度和生產(chǎn)操作環(huán)境，要求掛板材料具備較高的強(qiáng)度和耐熱性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性。材料假定為2.25Cr1Mo，根據(jù)材料力學(xué)教程，得到此材料參數(shù)[1]，泊松比為0.25，密度為7900 kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa。

2.1 建立幾何模型

根據(jù)掛板的實(shí)際尺寸建立三維實(shí)體模型，模型與實(shí)物形態(tài)一致，如圖2所示。

圖2 幾何模型圖Figure 2 Geometric model

2.2 建立有限元模型

采用較精確實(shí)體單元類型、六面體網(wǎng)格優(yōu)先的方式，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖Figure 3 Finite element model

2.3 約束和施加載荷

受力分析前，要對(duì)掛板施加約束與載荷。研究中，按實(shí)際使用工況的載荷情況，對(duì)封頭新型吊具的有限元模型進(jìn)行約束和加載。限制約束的部位為掛板穿圓柱銷孔處，因封頭重量約為40 t，即作用于掛板兩臂接觸面上豎直向下的400 kN的均布力，通過(guò)ANSYS求解器對(duì)有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4所示。

圖4 約束和加載圖Figure 4 Constraint and loading

2.4 分析求解

通過(guò)分析求解得到模擬應(yīng)力分布云圖，顯示出最危險(xiǎn)位置及最大應(yīng)力數(shù)值，如圖5所示。

圖5 模擬應(yīng)力云圖Figure 5 Cloud chart of simulation stress

3 材料性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

經(jīng)模擬分析，得到掛板受力后產(chǎn)生的實(shí)際最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)閮杀蹐A角表面處，最大等效應(yīng)力為213.5 MPa。兩臂圓角表面處應(yīng)力明顯增大，如有裂紋等失效情況首先將在此處產(chǎn)生，在操作使用過(guò)程中，靜力分析可用于對(duì)工件的裂紋趨勢(shì)提供重要參考。得到最容易失效處的最大應(yīng)力后，再考慮安全系數(shù)，可以得到掛板材料所能允許的最大許用屈服應(yīng)力。因此，在選用材料時(shí)，依據(jù)此結(jié)果，考慮到高溫，不能選擇一般結(jié)構(gòu)鋼材料。2.25Cr1Mo鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 2.25Cr1Mo鋼化學(xué)成分[3](質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 2.25Cr1Mo steel (mass fraction, %)

根據(jù)封頭新型吊具具體的工作環(huán)境，要求當(dāng)?shù)蹙咛幵诟邷毓ぷ鳡顩r下時(shí)，材料屈服強(qiáng)度仍能滿足通過(guò)有限元分析軟件ANSYS得出的數(shù)值。由于細(xì)晶粒鋼材料中含有鉬、鈦、鎢、釩等，這些合金元素能夠抑制晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，并使鋼發(fā)生過(guò)熱敏感性的幾率減小[3]，因此具有良好的力學(xué)性能。在300～550℃溫度區(qū)段內(nèi)，2.25Cr1Mo材料的鋼板由于鋼中夾雜物較少，而強(qiáng)碳化物含量較多，因此性能優(yōu)越且穩(wěn)定。鋼板在經(jīng)歷熱處理后，鋼板的基體組織未見(jiàn)明顯變化，仍為回火貝氏體組織，不變的組織形態(tài)決定了鋼板性能的穩(wěn)定性[2]。鋼板的常溫和高溫力學(xué)性能符合表2和表3的規(guī)定。

表2 2.25Cr1Mo室溫力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of 2.25Cr1Mo steel at room temperature

表 3 2.25Cr1Mo高溫力學(xué)性能[3]Table 3 Mechanical property of 2.25Cr1Mo steel at high temperature

經(jīng)過(guò)綜合考慮，2.25Cr1Mo材料鋼材滿足使用要求。此種情況是按照將掛板底面設(shè)計(jì)為平面的情況下，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果。如果將原掛板底面設(shè)計(jì)為圓弧面，即底面的圓弧面與兩臂和封頭接觸的受力面同一個(gè)圓心。將該結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)ANSYS求解器分析，得到掛板在受力后產(chǎn)生的實(shí)際最大等效應(yīng)力區(qū)域仍然為兩臂圓角表面處，其值為319.1 MPa，此時(shí)得到的最大等效應(yīng)力值比結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力值(213.5 MPa)增大較多。分析幾何模型與機(jī)構(gòu)模擬應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。該結(jié)構(gòu)制造過(guò)程難度大，選材要求提高，成本將進(jìn)一步增加，因此摒棄了此種結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)分析驗(yàn)證后更可靠的結(jié)構(gòu)。

圖6 原幾何模型圖Figure 6 Original geometric model

圖7 原結(jié)構(gòu)模擬應(yīng)力云圖Figure 7 Cloud chart of original structure simulation stress

4 結(jié)論

封頭新型吊具彌補(bǔ)了傳統(tǒng)吊裝方式中用吊耳所產(chǎn)生的不足，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)優(yōu)化后的掛板進(jìn)行受力分析，模擬得到掛板的應(yīng)力分布情況，可知材質(zhì)為2.25Cr1Mo時(shí)可以確保掛板的受力要求，其次在特殊工作環(huán)境下對(duì)擬用材料本身性能的研究和對(duì)掛板的另外一種結(jié)構(gòu)形式的探討，最終得到能滿足封頭吊裝要求的新型吊具，即該吊具用2.25Cr1Mo材料按第一種機(jī)構(gòu)形式制造加工而成。該結(jié)論也對(duì)封頭新型吊具的進(jìn)一步優(yōu)化提供了重要的參考價(jià)值。所以該新型吊具完全能夠滿足重型容器封頭的吊裝要求，達(dá)到了生產(chǎn)單位最初的預(yù)期效果。