異形管板換熱器應力分析與評定研究

點擊：1414 日期：[ 2014-04-26 22:32:27 ]

摘要：通過有限元溫度場分析及溫度場與應力分析的耦合數值計算，實現了異形管板換熱器溫度栽荷與壓力栽荷同時作用下的有限元應力計算。采用JB4732-1995~鋼制壓力容器—— 分析設計標準》的應力分類及強度評定方法對分析結果進行了評定，實現了在構建異形管板換熱器真正實際結構有限元模型下的應力分析與評定。采用有限元應力分析方法真正實現管板換熱器的應力分析與評定 ]，一直是壓力容器行業結構強度計算不斷追求的解決方案。這在于以往的管板換熱器的應力計算均基于相對于實際結構進行了充分簡化的力學模型已給出，由此其計算結果已不能體現管板的實際應力狀況，如將管板作為受管孔均勻剛度削弱的圓平板處理的力學模型就是典型的方法，加之此模型的邊界條件處理也不能真實反映結構實際狀況，給分析結果帶來了更大的誤差。國家標準GB 151—1999<<管殼式換熱器》中對管板的計算相對科學，其將管板作為彈性基礎上的圓平板處理，使結構計算力學模型與實際結構更加貼近，這是管板計算領域的一大進步，在世界各國換熱器規范中是較為科學合理的計算方法。但我國規范中的計算方法也存在局限性：一方面這一計算方法無法考慮管子對管板的彎曲約束作用；另一方面對圓平板的周邊約束邊界條件處理無法同實際結構相符。實際上由于管板受力情況復雜，采用簡化力學模型基礎上建立的解析計算已無法真正實現管板強度的有效計算，因此在數值計算方法中尋求解決方案也便成了真正實現管板強度有效計算的途徑。采用有限元數值計算方法真正實現管板實際結構的應力計算主要存在兩方面的難點：一是有限元模型相對復雜，構建難度大；另一方面在復雜的模型下施加邊界條件(如壓力或溫度等)相當困難，如不采用參數化編程方式，對于管數較多的結構情形是根本不可能的。由于上述難點，完全采用三維實體單元構建實際結構模型進行管板換熱器有限元分析的具體例證還沒有見到。本文正是充分利用了ANSYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數化技術，實現了完全采用三維實體單元下的管板換熱器結構全自動分析。這一分析程序的編制，不僅克服了以往無法解決的難題，而且為以后快速實現類似結構的分析計算提供了可能。 1 模型構建及載荷分析工況的確定 1．1 應力分析基礎條件本異形管板換熱器的應力分析及評定是德國OSCHATZ公司委托全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會進行的。表1給出了本設備的主要設計參數。 1．2 分析模型的構建本分析從整體上對給定換熱器結構按各種工況組合進行了具體有限元分析 ]，為計算溫度應力，分析中首先對給定換熱器結構進行了有限元溫度場分析，在有限元應力分析中將溫度場分析結果作為溫度載荷施加于對應節點，進而計算出溫度應力。溫度場分析邊界條件如下：管子入口溫度為278℃ ；管子出口溫度為273 oC；管箱溫度為385．1 oC；管板管箱側溫度為285℃ ；殼程溫度為272．27℃。溫度場分析采用SOLID70三維實體單元。在對給定換熱器整體結構進行有限元應力分析時，考慮到結構的承載特性和結構的對稱特性，在周向上取1／8結構，長度上沿換熱器中間截面作為對稱面建立相應有限元模型，這對于單純壓力，其結果與實際結構是相符的；但對于溫度載荷，其結果(基于管子溫度高的半側溫度場分析結果計算)沿軸向實際上是不存在對稱性的，但作為對稱處理實際上是偏于保守考慮的(因溫度差是偏于高值考慮的)。具體構建有限元應力分析模型采用solid185單元，模型構建中將換熱器整體結構均采用三維實體單元(solid185單元)處理。本文分析的換熱器實體模型和有限元模型分別見圖1和圖2。 1．3 應力分析工況及組合實際分析中，對于分析工況組合參照GB151標準進行，共考慮以下7種工況：(1)僅殼程承壓； (2)僅管程承壓；(3)殼程承壓+溫差應力；(4)管程承壓+溫差應力；(5)殼程壓力試驗；(6)管程壓力試驗；(7)殼程承壓+管程承壓+溫差應力。具體載荷邊界條件如下： (1)僅殼程承壓 P1— 7．1M Pa。 (2)僅管程承壓 P2= 0．5M Pa。 (3)殼程承壓+溫差應力 P 一7．1MPa，加溫度場分析結果。 (4)管程承壓+溫差應力 P 一0．5MPa，加溫度場分析結果。 (5)殼程壓力試驗 P3— 9．464M Pa。 (6)管程壓力試驗 P4— 0．65M Pa。 (7)殼程承壓+管程承壓+溫差應力 P1—7．1MPa(殼程)，P2—0．5(管程)MPa，加溫度場分析結果。

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