多层热套式压力容器的热-应力耦合分析.pdf

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1、第38卷第1期化工机械63多层热套式压力容器的热一应力耦合分析王充+冯为健何文德(pq川化工职业技术学院)摘要针对石油化工行业中热套式压力容器壁厚增加和温差应力增大问题，提出了基于有限元热一应力耦舍分析的方法。建立热套式压力容器筒体结构模型，采用序贯热一应力耦合解法，先进行热分析求解，然后将求解得到的热分析结果当作体载荷施加到结构上进行静力分析，得出热套式压力容器的径向应力、应变和环向应力、应变。关键词热套式压力容器热分析耦舍分析热应力中图分类号TQ050．3文献标识码A文章编号0254-6094(2011)01-0063-03多层热套式压力容器是在内筒外面

2、套合上一至数层外简，组成筒节，广泛应用于现代石油化工和石油炼制工业装置中。多层热套式压力容器在高温条件下工作，温度分布不均或热膨胀受到限制而产生的温差应力对容器的设计和使用寿命提出了新的挑战。随着壁厚的增加，内外壁问的温差也会增大，热应力也会随之增大，沿壁厚方向(径向)分布也是不均匀的⋯，因此对多层热套式压力容器壁的热应力状态了解是非常重要的。笔者基于ANSYS软件采用序贯热一应力耦合解法将多层热套式压力容器各层耦合后进行热一结构耦合分析。2。1，通过观察分析结果，对多层热套式压力容器的设计、制造和生产有着重要的意义。1多层热套式压力容器有限元模型的建立某一

3、多层热套压力容器由内层不锈钢(304，介质接触层)、中间层碳钢(16MnR，强度加强层)和外层为铝合金(1070，防腐保护层)3部分组成。本实例属于轴对称问题，主要研究沿壁厚方向(径向)的温度分布在结构性能上的影响，仅取对称结构的l／2进行分析，轴向尺寸可以取任意大于零的值。采用序贯热一应力耦合解法，将模型中的热单元类型转换成对应结构分析类型．定义材料的力学性能参数，材料性能参数见表1。热分析中均采用二维实体八节点四边形单元PLANE77，将热分析结果以体载衙的形式施加到模型中，以水平方向为z轴，竖直方向为Y轴建立实体模型(图1)，该多层热套式压力容器的内层

4、茹=400—406mm。Y=30mm，中间壁面石=406—426mm，y=30ram，夕h层嚣=426—430mm，Y=30mm。表1多层热套式压力容器材料性能参数·王充。男。1971年5月生．讲师。四川省泸州市．646005。化工机械2011“图1热套式压力容器筲体蛄构有限元模型日棒划分厦温度2热应力辆合分析方法热应力耦合分析方法常采用岸辨热·膻力耦台解法．按照顺序进行阿次或更多欢的相戈场分析。它是通过把第一次热分析得到的竹点温度作为“体JJ¨裁荷施加在衍序的盹力分析巾米赏现耦音的“。分析流程如削2所示。圉2热应力分析漉程田对宴体模塑进行网格划分和加热载荷

5、．沿径向J向从内壁400ram至外啭430ram定义一条路径．将昧来模型巾的单位类型转挽为结构分析单兀(阻3J．定义节点自由度耦台船(内罐和径向t下两个让界)，并将前面求解得到的热分析结果’作体鞋荷施加到结构上．进行静力分析．求解的径向应力和环向应力如图4、5所示．径向应变和环向应变如图6、7所示。田3定i节E自由虚耦合集扣位移约束一，=●_．_=一篇．：羔葛百=，=巴。圈4热毒式Ⅱ力窑嚣桎向应力*轻向变化舟布云圈圈5热毒式压力容嚣环向应力镕桎向变化云闰田6鹅垂式压力吝嚣径向应生☆轻向变化分韦i图第38卷第1期化工机械65还没有一个对不I司层材料进行热应力分

6、析的计算方法，只有单层厚壁容器的热应力计算公式，其计算结果误差很大。建立热套式压力容器有限元模型用序贯热一应力耦合解法，利用ANSYS软件分析其热一应力变化，能够较准确地确定沿厚度方向上应力、应变的变化情况，这对热套式压力容器设计、选材及制造等提供有价值的可靠的理论依据，修正结构应力不合理区域。在此基础上进一步还可以将热一应力和内气压所产生应力叠加进行综合应力分析，验证多层热套式压力容器各层图7热套式压力容器环向应变沿径向变化分布云图的强度。根据上述分析结果可见，径向内层和中间层参考文献是受压应力，外层受较小的拉应力，且最大压应力1郑津洋·过程设备设计·北京

7、：化学工业出版社,2007发生在内层的最里面的壁面上，为一2．744kP8；内2梁尚明·闫喜江，黄字峰等·基于ANsYs的1TER重力层与中间层处衰减最快，环向应力内层主要是压嚣裟嚣应力分析·原子能科学技术’2009'43应力，最大为一1·817kPa；中间层是拉应力，最大3叶先磊．ANsYs工程分析软件应用实例．北京：清华大发生在是间层最外面为360．51Pa，外层受小量压学出版社，2003应力。径向应变的压缩最大量为一8．343ixm，在4曾志华，虞伟建．ANSYS结构优化技术在机械设计中内层内壁上；环向应变内层也为压缩，中间层为拉的应用．中国制造业信息

8、化，2009，38(7)：33。37伸；最大在外壁面