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

1. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Schweißverzugssimulation:
Rohrplatte eines
Hochdruckwärmetauschers
Dipl.Ing. Christoph Schlegel
CADFEM (Austria) GmbH

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. 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. 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. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Rohrplatte eines Hochdruck-Wärmetauschers (Stripper)
Rohrplatte
2,1m bis 3,7m Durchmesser:

6. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Plattierung der Rohrplatte
Bildquelle: Schoeller-Bleckmann Nitec GmbH

7. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Schweißverzug der Rohrplatte
Bildquelle: 1

8. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
ZIEL:
Schweißprozess-Simulation
à Verzugsbestimmung
à Vorhersage der notwendigen Konushöhe

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. 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. 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. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
ANSYS Workbench - Projektseite
Bildquelle: cadfem

13. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Parameterliste in MS-Excel

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. 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. 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. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Temperaturverteilung (transient)
Vernetzung & Schrittgröße noch ausreichend für reale
Temperaturverteilung
Bildquelle: cadfem

18. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Temperaturverteilung (transient)
Bildquelle: cadfemAnimation durch Anklicken starten

19. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Materialeigenschaften
Wärmeausdehnung ermittelt
mit JMatPro
Bildquelle: 1

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. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Umwandlungsplastizität
δ < 0
δ > 0
γα
Bildquelle: cadfem

22. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Umwandlungsplastizität
bilineares Materialmodell für Plastizität
Streckgrenze temperaturabhängig
im Bereich der Umwandlungsplastizität
Streckgrenze stark abgesenkt
Bildquelle: 1

23. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Spannungsverteilung
Bildquelle: cadfem
Animation durch Anklicken starten

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. 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. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Ersatzmodell
Bildquelle: 1

27. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Ergebnisse am reduzierten Modell
Bildquelle: cadfem
Animationen durch Anklicken starten
Temperaturverteilung:
Spannungsverteilung:

28. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Spannungsverteilung im Bauteilinneren
Bildquelle: cadfem
Animation durch Anklicken starten

29. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Höhenmessung nach den einzelnen Arbeitsschritten
Messstrecke
Bildquelle: 1

30. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Vergleich: Messung - Berechnung
Messstrecke
Bildquelle: 1

31. Schweißverzugssimulation, 18.-19.11.2013 Wiesbaden
Vergleich: Messung - Berechnung
Bildquelle:1 / cadfem

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“