凝汽器管板强度分析.pdf

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1、机械工程师MECHANlCALENG{NEER孙志强，付元钢(哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090)摘要凝汽器是一种体积庞大而且结构非常复杂的管壳式热交换器。为了解凝汽器管板能否满足强度要求，防止由于管板强度不足导致破坏，进而对凝汽器整体安全造成影响，现通过ABAQUS有限元软件对管板在水压试验工况下的强度进行分析计算，以期为管板设计提供参考。关键词：凝汽器：管板，强度；有限元中图分类号：TP391、7文献标志码：B文章编号：1002--2333(2016)07—0185-021凝汽器管板结构的建模凝汽器管板结构中管板采用山形管束布置，厚度为60mm，管板材料为SA

2、285一Gr—C，许用应力为108MPa，换热管材料为SA249一TP304，许用应力为115MPa。凝汽器冷却管根数较多，为了保证计算的有效性，所以需要对管板模型进行等同简化。如果对几万根换热管进行建模，那么计算会很复杂而且不现实。所以采用体积和截面积相同，而且弹性模量等效的方法，将管束简化后进行实体建模。简化后的模型为管板和弹性模量等效后的管束二者组成的实体。利用UG建立简化后的管板、冷却管束的实体模型，由于管束两边对称加压，故在模型中只取轴向管束的一半作为弹性支撑，另一侧在端部处约束处理。由于采用实体等效模型，需重新计算等效后的弹性模量和泊松比，由ASMEⅧdiv．2中图表

3、4—920．1查得等效后的布管区弹性模量比E似=0．2，等效泊松比为u4=0．42。换热管等效弹性模量为：Ei鲥／,4·E。=13806MPa。如图1所示。按照凝汽器设计规范和买方要求，管板结构需能承DZ450／9一XD底座钻台面上的挡风墙各单片均设有吊耳，与钻台面采用销轴连接，安装、拆卸都非常方便。挡风墙装完后，再安装上层支撑平台下的2根承载立柱及桁架单片、斜撑，最后将上层的3大块铺台安装于立柱和桁架之上。整个安装过程方便、快捷。底座交付使用至今，用户反映钻台面和上层平台上的钻井设备布局合理，操作空间充足，空间利用率高。钻台面挡风墙起到了较好的保温效果。污水收集设计非常便于清理

4、、清洗上层平台的油污，使用方便。5结论钻台面挡风墙和上层平台的一体化设计，不论从理论上的有限元计算结果，还是从现场安装和使用的实际情况，都表明这样的一体化设计在强度和功能上都能满足坐底式钻井船的总体设计要求。为解决底座承载设备繁多、优化空间的问题，提供了一种一体化的设计思路，也为海洋钻井底座挡风墙设计甚至是陆地钻机底座挡风墙设计拓展了一种新的方法。[参考文献][1]张东涛，秦晓峰，廖昌建，等．ZJ50／3150DB型低温石油钻机设计[J]．石油矿场机械，2009，38(9)：84—87．[2]张杰，柴占文，常亮，等，低温钻机固控系统保温研究[J]石油矿场机械，2012(6)：33

5、—37．(编辑启迪)作者简介：高翔(1982_)。男，工程师，从事石油钻机设计工作。收稿日期：2016—02—02网址：www．jxgcs．com电邮：hrbengineer@163．com2016年第7期l185机械工程师MECHANiCALENGlNEER表1管板水压试验工况下的应力结果判定说明：判定标准遵照JB一4732(钢制压力容器一分析设计标准》进行，表格中管板许用应力S。=108MPa。受住水压试验压力，因此在管板水室一侧表面施加0．65MPa的试验压力。由于管板与凝汽器壳体法兰连接，近似为固定约束，在管板四周约束其6个自由度。整个管板一管束结构对称，在管束另一侧截面

6、施加固定约束，限制轴向位移。施加完载荷和边界条件后，对管板一管束结构进行网格划分，如图2所示。2有限元计算结果建立合理的有限元模型，用ABAQUS软件进行分析，计算管板在水压试验工况下的应力分布及变形情况。管板应力分布如图3所示；管板变形情况如图4所示。3结果分析1)由应力结果云图(图3)可知，管板水压试验工况下，应力较大位置主要集中在结构不连续的区域，例如管板和水室法兰连接部位，影响范围不大，管板整体没有出现较大面积的高应力区域。根据JB一4732((钢制压力容器一分析设计标准》要求对此工况下管板结构进行应力判定，结果如表1所示。2)图4给出了管板结构的变形情况。从中可以看到，

7、在水压试验工况下，管板最大变形为4．15mm，产生此相对较大变形的原因主要是这一部位内部没有管束支撑，刚度不足进而引起弯曲变形所致。但4．15mm的变形相对于管板壁厚60Inm来说，变形影响可以忽略不计。值得注意的是，分析中建立的模型和边界条件与实际情况仍然存在一定的差别，如对管板与法兰连接采用固定约束处理是否合理，实体等效计算等效后的弹性模量为近似取值等，使得结果不可避免地存在一定的误差，请参考者注意甄别。通过计算，分析算例凝汽器管板在水压试验压力下的应力分布和变形情况，结果表