Schweißverzugssimulation: Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers

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Bei der Plattierung der Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers kommt es zu einem Schweißverzug. Der eingesetzte Konus gleicht diesen aus. Im vorliegenden Projekt übernahm CADFEM den Modellaufbau und die Programmierung der notwendigen Makros für zur Berechnung der idealen Größe dieses Konus.

Die Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers, welcher zur Herstellung von Harnstoff dient, wird einseitig mittels Auftragsschweißen in mehreren Durchgängen mit unterschiedlichen Materialen plattiert. Dabei kommt es zu einer nennenswerten Wärmeeinbringung und daher zu einem Schweißverzug. Um diesen auszugleichen, wird der Schmiederohteil der Rohrplatte schon in konischer Form bestellt. Abhängig von der Größe der Rohrplatte und dem eingesetzten Material wurde mittels FE-Simulation berechnet, wie groß dieser Konus sein muss.
Anmeldung & Detailinfo: http://www.cadfem.at/designverstehen

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Schweißverzugssimulation: Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers

  1. 1. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Schweißverzugssimulation: Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers Dipl.Ing. Christoph Schlegel CADFEM (Austria) GmbH
  2. 2. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Vorstellung CADFEM Service Support Seminare Berechnung im Auftrag ConsultingSoftware DE ATCH München CADFEM Grafing Stuttgart Hannover Chemnitz Lausanne Wien Aadorf Berlin Dortmund Gerlafingen Innsbruck Frankfurt § Gegründet 1985 § 12 Büros in D A CH § >180 Mitarbeiter
  3. 3. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Vorstellung Schoeller-Bleckmann Nitec GmbH einer der weltweit führenden Herstellern von Hochdruck-Apparaten (>100bar) für die Chemische Industrie – speziell für die Düngemittelindustrie - Petrochemische Industrie, Stickstoffindustrie à Ammoniak & Harnstoff - Hochdruck-Wärmetauscher und Reaktoren - Spezialeinbauten für Ammoniak-Konverter Bachelorarbeit von Florian Stangl
  4. 4. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Anwendungsgebiet Düngemittelindustrie Herstellung aus Erdgas, Luft und Wasser in den Prozessschritten Wasserstoffherstellung → Ammoniakherstellung → Harnstoffsynthese Harnstoff = weltweit das bedeutendste Stickstoffdüngemittel (47% N) 2012: rund 184 Mio. t weltweit größten Anlagen à ca. 4.000 t Harnstoff am Tag
  5. 5. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Rohrplatte eines Hochdruck-Wärmetauschers (Stripper) Rohrplatte 2,1m bis 3,7m Durchmesser:
  6. 6. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Plattierung der Rohrplatte Bildquelle: Schoeller-Bleckmann Nitec GmbH
  7. 7. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Schweißverzug der Rohrplatte Bildquelle: 1
  8. 8. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden ZIEL: Schweißprozess-Simulation à Verzugsbestimmung à Vorhersage der notwendigen Konushöhe
  9. 9. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden VWS-D (Deformation) für: erweiterte Schrumpfkraft-Methode, grobe Modellierung für: Fertigung Methode: mac VWS-S (Schweißen) für: detaillierte Modellierung für: Konstruktion, Univ Methode: UPF, mac VWS-T (Temperatur) für: Wärmequellen für detail. Modellierung für: Konstruktion, Univ Methode: mac CADFEM Toolbox à Virtual Weld Shop VWS Bildquelle: cadfem
  10. 10. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Wärmequellen für die Simulation: •Goldak/Gauß •Laser •Tri-polygon •Kombination •Elektronenstrahl, FSW, … CADFEM Toolbox à Virtual Weld Shop VWS-T Bildquelle: cadfem
  11. 11. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Gefügekinetik nach Leblond oder Denise Dilatogramm- Versuche Þ ZTU- Diagramm Þ Kinetik- Koeffizienten für Leblond/ Denise Þ Simulation mit Mischungsregel Þ Dilatogramm- Simulation Simulationsergebnis ZTU- Diagramm Viele Versuche Versuch Berechnung Gefügekinetik CADFEM Toolbox à Virtual Weld Shop VWS-S Bildquelle: cadfem
  12. 12. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden ANSYS Workbench - Projektseite Bildquelle: cadfem
  13. 13. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Parameterliste in MS-Excel
  14. 14. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden kleinste Rohrplatte – D=2,1m kleinste Rohrplatte: Mesh ca. 610.000 Knoten 2.600 Rechenschritte (loadsteps) 3 Layer-Inflation Bildquelle: cadfem
  15. 15. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden größte Rohrplatte - D=3,7m größte Rohrplatte: Mesh ca. 2,1 Mio. Knoten 10.500 Rechenschritte (loadsteps) 3 Layer-Inflation Bildquelle: cadfem
  16. 16. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Modell so grob als möglich à Rechenzeit reduzieren gröbst mögliche Vernetzung je Schweißraupe 1 El. in der Dicke 4 El. in der Breite Schrittgröße beim Schweißvorschub ca. Elementgröße 15-30mm (4-10sec.) Bildquelle: cadfem
  17. 17. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Temperaturverteilung (transient) Vernetzung & Schrittgröße noch ausreichend für reale Temperaturverteilung Bildquelle: cadfem
  18. 18. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Temperaturverteilung (transient) Bildquelle: cadfemAnimation durch Anklicken starten
  19. 19. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Materialeigenschaften Wärmeausdehnung ermittelt mit JMatPro Bildquelle: 1
  20. 20. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Steuerung der Elementeigenschaften Element Materiabelegung änder mit mpchg, noch nicht vorhandene Elemente steuern mit: ekill & ealive abhängig von zeitlich steigendem oder fallendem Temperaturgradient Bildquelle:1
  21. 21. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Umwandlungsplastizität δ < 0 δ > 0 γα Bildquelle: cadfem
  22. 22. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Umwandlungsplastizität bilineares Materialmodell für Plastizität Streckgrenze temperaturabhängig im Bereich der Umwandlungsplastizität Streckgrenze stark abgesenkt Bildquelle: 1
  23. 23. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Spannungsverteilung Bildquelle: cadfem Animation durch Anklicken starten
  24. 24. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Berechnungszeit transienter Prozess à nicht beliebig parallelisierbar kleinste Rohrplatte größte Rohrplatte Durchmesser 2,1m 3,7m Schweißlänge ~ 80m ~ 290m Schweißzeit real > 7h > 29h Anz. Knoten im Modell 610.000 2,1 Mio. Loadsteps (bei 15-30mm Schritt) 2500 - 5.000 10.000 - 20.000 ca. Gesamtrechenzeit *) > 4 Tage > 100 Tage ca. Datenmenge > 1TB >>> *) auf einer HP Z800 mit 96GB RAM auf 8 cores
  25. 25. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Reduktion größte Rohrplatte: Mesh ca. 2,1 Mio. Knoten größte Rohrplatte - Segment: Mesh ca. 390.000 Knoten Bildquelle: cadfem
  26. 26. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Ersatzmodell Bildquelle: 1
  27. 27. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Ergebnisse am reduzierten Modell Bildquelle: cadfem Animationen durch Anklicken starten Temperaturverteilung: Spannungsverteilung:
  28. 28. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Spannungsverteilung im Bauteilinneren Bildquelle: cadfem Animation durch Anklicken starten
  29. 29. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Höhenmessung nach den einzelnen Arbeitsschritten Messstrecke Bildquelle: 1
  30. 30. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Vergleich: Messung - Berechnung Messstrecke Bildquelle: 1
  31. 31. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Vergleich: Messung - Berechnung Bildquelle:1 / cadfem
  32. 32. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden Quellen 1. 2. Bachelorarbeit von Florian Stangl, Fachhochschule Wiener Neustadt, 29.05.2013 „Optimierung der Rohteilgeometrie einer Rohrplatte eines Hochdruckwärmetauschers hinsichtlich Schweißverzug mithilfe der Finiten Elemente Methode“

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