复杂载荷下管板应力分析.pdf

《复杂载荷下管板应力分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第4期．5复杂载荷下管板应力分析刘国振，张建秀，王玉先(河北正元化工工程设计有限公司，河北石家庄050061)[摘要]本文应用Ansys软件建立了真实的管板模型，对复杂载荷下的管板分别进行了温度场、机械场和耦合分析，通过对五种载荷分析找出其危险截面，得出了复杂载荷下管板各危险截面的应力强度均满足设计要求的结论。[关键词]管板；有限单元法；温度场分析；应力分析废热回收器是合成氨工段中最主要的设备之一，其安全性对整个工段有着非常重要的影响。管板是废热回收器的关键元件之一，管板与换热管、简体等连接在一起构成了一个复杂的弹性模型。本文研究的管板具有复杂的边界条件，其几何简图如

2、图I所示，a口为360℃高温气体的进口，b口为冷却后的气体出口。管箱处采用双锥环密封，从图1可以看出：管板除受到管、壳程的压力和温度载荷外，还受到螺栓载荷、双锥环回弹力等载荷的影响，且管板兼做管箱的部分较短，螺栓载荷和双锥环的回弹力势必对管板产生一定的影响，但标准中尚无此类结构的计算，为此本文采用Ansys软件建立了管板的参数化模型【”，对管板进行温度场和应力场的综合分析。1有限元模型的建立图1管板结构简图模型的主要几何参数见表1。表1主要几何参数1．1模型简化及建立模型部位符号尺寸(II】I1)(1)此设备采用U形管结构，上部管板和下部管板布管形式相同，且每个管板布

3、管上下左右均管板内径450管板外径DI。850对称，上部管板为高温部件，因此建立了上管板管板厚度T150的1／4模型。管板短节内径Ddi560(2)换热管与管板采用强度焊+贴胀的结构，建管板短节厚度Td45模时可以认为换热管和管板已达到一体化，单元管箱长度Lt85是相互连接的[2]。换热管规格xTt①24×5(3)为建模和求解方便，忽略管箱侧的换热管外伸长度，壳程侧换热管外伸长度取lOOmm，远互转化，建立后的有限元模型节点数为29903，单大于其边缘应力衰减长度；管板短节长度取400元数为20881个。ITlln，也大于其边缘应力衰减长度[3】。作者简介：刘国振(1

4、981一)，男，河北正定人，工程硕士，有限元模型如图2所示，温度场分析采用8节工程师。主要从事压力容器设计及审核工作。点Solid70单元，其与结构分析单元Solid45可以相6一■论文广场石20油14和年化第工17设卷备一。三i5+17171431472r】。244Mlpa(3)双锥环与端部之间的水平作用力F为[6】：抛+群至∞_()474+149929×190200x⋯2x(1．521⋯3114250⋯-3N’该作用力以当量面载荷的形式施加在缩口的圆锥面处，得当量压力P。：3蔼!三霄x56005x：．==i图2管板有限元模型(4)管程压力单独作用时换热管端部横截面

5、平1．2边界条件衡载荷为[7】：本文首先进行稳态温度场及热应力分析，然．162Mpa后进行耦合场分析，以下首先对温度场和机械场一的边界条件进行说明。(5)壳程压力单独作用时换热管端部横截面平1．2．1温度场边界条件衡载荷为：管程和壳程的流体温度及平均对流传热系数：3,79MPah2由工艺人员提供。管程介质温度为360"C，壳程介一质温度为225℃，外界空气温度取20℃，管程侧内2有限元分析结果壁及换热管内流体传热系数为253W／mZ．K，壳程本文参照GB15l。1999《管壳式换热器》，侧内壁及换热管外流体传热系数为764W／m2．K，对五种操作工况进行分析。五种操作

6、工况下的编管板壳程侧短节设有保温，因此可认为此处外壁号见表2所示。面是绝热的。管板外壁未设保温，因此施加外界表2各工况操作编号空气温度和空气自然对流传热系数。操作工况载荷工况编号1．2．2热应力场边界条件仅温度载荷T1热应力分析属于结构分析，短节底面施加轴仅管程压力Pl2向位移约束，在对称面上施加对称位移约束。温度载荷+管程压力Pt+T31．2_3结构分析边界条件仅壳程压力Ps4温度载荷+壳程压力P。+T5(1)管程设计压力Pt=31．4MPa，壳程设计压力Ps=2．5MPa。2．1温度场分析结果(2)主螺栓的载荷【转换为当量面载荷，然后将按上述温度场边界条件对管板组

7、件施加温度载荷加载到主螺栓所在的当量圆环面上，即：载荷和各对流传热系数，然后求解。图3所示为模；，，～．型温度分布云图，从图3可以看出：管板布管区内十一(Db一)=：l大部分厚度接近管程流体的温度；壳程侧管板的表面接近壳程侧流体的温度；由于外界空气自然式中：W。=l1714314N(主螺栓的设计载对流的作用，使管板兼做管箱处的温度低于管程荷)：流体温度；壳程侧温度均接近壳程流体的温度。Db=715mm(主螺栓中心圆直径)；2．2工况1作用下的计算结果d=72mm(主螺栓公称直径)。根据温度场来确定各部件的物性参数，各部第4期刘国振等复杂载荷下管板应力