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某换热器管板的有限元分析及其设计

点击:1789 日期:[ 2014-04-26 21:53:52 ]
                      某换热器管板的有限元分析及其设计                                季维英  陆荣钧                    (南通职业大学机械工程系,江苏南通226007)     摘要:应用ANSYS通用有限元分析软件,对某换热器管板建立了三维实体模型,并进行温度场分析,得出管板上温度场的分布规律;同时,按照JB4732-1995《钢制压力容器———分析设计标准》分析了管板在开工、正常操作和停工过程中可能出现的7种瞬态和稳态操作工况的应力强度,并进行应力评定,找出危险工况和该管板强度的控制因素;据此,提出了对设计方案的改进,结果表明,改进后热应力将大大减小。     关键词:管板;有限元;温度场分析;应力分析;分析设计     中图分类号:TK223.5    文献标识码:A    文章编号:1008-5327(2007)03-0069-05     0·引言     随着工业的迅速发展,过程设备越来越向大型化、复杂化和高参数方向发展,其结构和形状也越来越复杂,使得对零部件的常规设计方法受到冲击。基于此,一种以弹性应力分析和塑性失效、弹塑性失效准则为基础的新设计方法———分析设计法应运而生。应力分析设计属于校核式设计,如对换热器管板而言,先确定设计方案,假设一个管板厚度,然后采用应力分析校核该厚度是否合适,若厚度选择不合适,用户则要通过反复选取并运算才能得到一个既经济又安全的设计结果。本文以某高效换热器为例,阐述了换热器分析设计的过程。     1·换热器的载荷工况及初始设计结果     换热器载荷工况具体数据为:壳程工作压力0.8 MPa,壳程进/出口侧温度20℃/150℃,壳程材料为Q235-A;管程工作压力4.5 MPa,管程进/出口侧温度220℃/100℃,管程材料为不锈钢。先对图1所示的换热器结构,参照GB151常规设计方法[1],给出初始设计方案:管板上共有117根换热管,管板左右、上下对称;壳体公称直径500 mm,壳体壁厚8 mm;管板厚度74 mm;管板外径同设备法兰外径695 mm;换热管规格Φ32×3.5。                    2·有限元计算模型     2.1模型的建立     由于现有的计算条件所限,应用有限元分析时[2,3],为简化计算,建立模型时只考虑管板、壳体和管束部分,法兰垫片用等效的均布比压来代替。由于管壳式换热器结构左右前后对称,所以分析模型只需取该结构的四分之一,且忽略管子在管程侧的外伸长度;在壳程侧,保留有限长度的外伸管子和壳体。根据边缘效应的影响,外伸长度公式为:               为更真实地模拟管板的应力状态,壳体、管板、管束全部采用实体单元。结构分析采用8节点六面体单元Solid 45;传热分析采用的单元是与Solid 45对应的热分析单元Solid 70,管板网格划分采用扫描剖分,扫描剖分后的单元具有规则形状,是明显成排的单元,这对载荷的施加和收敛控制是有利的[4]。有限元模型如图2所示。                     2.2载荷及边界条件     分析中,根据设备实际操作时的情况,考虑了以下几种不同的载荷,分别是:     (1)温度载荷。本例中,忽略介质的对流换热,只考虑热传导。模型温度载荷的施加形式如图3所示。                    (2)内压载荷。管程设计压力5.0 Mpa,壳程设计压力0.8 Mpa。在分析中,每种载荷均作为一个独立的载荷工况来施加,实际换热器工作过程中,将受到多种载荷工况,根据具体受到的工况建立相应的模型。     (3)力边界条件。载荷工况的约束是:在管壳式换热器的对称面上施加对称位移约束,换热管一端约束,另一端连接在管板上,即约束换热管一端的轴向位移,在预紧面上加螺栓预紧力83.57 Mpa,密封面上加法兰垫片比压力15 Mpa。     3·换热器管板热应力分析     由于该换热器管程和壳程的温度相差较大,温差应力的影响不容忽视。为此,有必要对其温度场及机械载荷和热载荷共同作用下产生的应力进行详细分析。     3.1温度场分析     分析的重点在于换热器稳定工况下的温度分布情况,因此,可仅进行稳态热传导分析。通过求解得到模型温度场分布云图如图4。该结果直观地验证了管板温度分布的“表皮效应”[3]。                      3.2热应力分析     热应力分析属于结构分析,因此,采用的有限元模型为整体结构有限元模型,单元类型为Solid45实体单元。热应力分析的载荷为温度载荷,其结果来源于热分析,每个节点温度数据都存储在热分析的结果RTH文件中。分析加载时只要将此文件读入,ANSYS则将节点温度作为体载荷施加。热应力分布云图如图5,由图中看出,热应力强度最大值为407 Mpa。最大应力发生在管板与壳体连接的地方,靠近底部;在管板与外围的几根换热管连接处热应力也较大。分析其原因是:壳体与管板连接处存在一个温度急剧变化的薄层区域,受到的应力急剧增大,成为热应力强度值的主要决定因素;其次,管板与壳体连接处结构的不连续,尤其管板厚度大,形成了局部的应力集中;再者,管板与壳体材料的差异,导致两者膨胀及收缩的不协调,这也是导致热应力高的不可忽视的因素。                     4·不同操作工况下管板的应力分析和强度校核     4.1结构分析的7种操作工况     一般说来,换热器在工作时要受到管程压力、壳程压力和温度载荷三种载荷工况以不同方式组合的作用。因此,对管板进行强度分析时如果只分析载荷同时作用的正常操作工况是不充分的,因为不能保证这种工况一定是危险工况。上述三种载荷可以组成7种不同的瞬态或稳态操作工况[3],如表1所示。                       4.2有限元结构分析结果     为在后处理中可按JB4732应力分析标准进行各处的强度校核,根据分析得到的应力强度(stress intensity)分布状况,在模型上选取3条路径,如图6所示。Path1为穿过壳体厚度的路径,Path2为穿过与换热管相连处管板厚度的路径,而Path3为穿过布管区管板厚度的路径。管板路径均为从壳程到管程方向,壳体路径为内侧到外侧方向[5]。                    通过分析发现,所有工况下路径2及路径3上的应力强度值均合格,而在工况5、工况6及工况7下,路径1上最大应力强度值均超出许可值,评定不合格。因此,这三种工况为危险工况,且工况5为管程压力与温度载荷同时作用,是最危险工况。图7所示为工况5路径1上应力强度分布曲线。                     为对管板进行强度分析,表2列出了工况3(即热应力工况)及工况5~7路径1上的应力强度和许用应力强度的比较。                     从表2可看出,机械载荷工况的作用增加了管板与壳体内壁处的一次局部薄膜应力,管程压力增加了该处的总体热应力的影响,壳程压力则削弱了总体热应力的影响。     5·设计方案的改进     为有效降低管板与壳体连接处的热应力,首先,应严格按GB151选取管板与壳体连接的焊接节点,而边缘区的圆弧过渡连接和圆角半径的适当增大,可有效降低过渡区的应力水平。对于本例中的换热器,壳体的两端分别用200 mm长的短节,短节材料与管板材料相同,具体结构如图8所示。改进后重复以上步骤进行有限元分析,得到热应力分布云图,如图9。                     由图9可知,最高热应力强度值由原来的407 Mpa下降到了262 MPa,并且最大应力强度值发生在管板与换热管的连接处,其次是管板与壳体的连接处。管板与壳体连接处沿壳体厚度、管板与换热管连接处沿管板厚度方向分别作应力校核线,路径如图6。对应力强度进行线性化处理,结果如图10、图11。                                     对管板及壳体分别进行安全评定,由图10、11可看出,两构件上的总应力均小于材料许用应力的3倍,所以强度均合格。     设计改进后,工况5应力强度分布云图如图12所示。由图中可以看出,热应力分布成为该工况下应力分布的决定因素,管程压力只是稍稍增加了应力强度值。最大应力强度值在管板与换热管连接处,其次是管板与壳体连接处。沿管板从壳程到管程方向的Path3应力强度评定如表3。                     通过分析,其他各种工况下应力强度评定均合格。至此,换热器有关管板的设计即已完成。     6·结论     (1)对于管壳程存在一定温差的换热器,考虑温差应力的影响,进行结构热构偶合分析非常必要,因为温度载荷对管板造成了较大的热应力。     (2)换热器的危险工况不一定发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况,而有可能发生在某个瞬态操作工况下。所以,为保证安全,在对管板分析时,对各种稳态、瞬态操作工况都进行分析比较,找出危险工况,是很必要的。     (3)从整个管壳式换热器来看,最大应力不一定在管板上,往往发生在结构不连续的管板与壳体连接处。     (4)在换热器管壳程温差较大的情况下,管板与壳体采用相同的材料能有效地降低管板与壳体连接处的热应力。有时为了降低整台换热器的造价,可以在壳体的两端用与管板相同材料的短节与管板连接。 参考文献: [1]GB151-1999钢制管壳式换热器[S]. [2]刘海亮.高压给水加热器厚管板的有限元分析(1)[J].压力容器,2004,21(11):19-22. [3]冷纪桐,吕洪.某固定管板式换热器的温度场与热应力分析[J].北京化工大学学报,2004,31(2):28-31. [4]胡锡文,林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析[J].压力容器,2004,21(10):26-28. [5]余伟炜.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006:168-190. [6]龚曙光,谢桂兰.基于有限元分析的管板结构优化设计[J].机械设计与制造工程,2002,31(6):49-51.
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