u型管式废 热锅炉大开孔结构的应力分析设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com14一■论文广场石油和化工设备20l2年第15卷一U型管式废热锅炉大开孔结构的应力分析设计张春娥(湘潭锅炉有限责任公司，湖南湘潭411202)[摘要]本文对某企业的U型管式废热锅炉中大开孔结构，利用ANSYS软件qbAPDL方式，建立了结构一热耦合分析的有限元模型，通过分析计算得到了相应模型的温度场分布和组合应力的分布规律，根据结构特点指定了应力评判路径并进行了应力分类，所得结果验证了设计方案的可行性。[关键词]废热锅炉；大开孔结构；应力分析；结构一热耦合目前压力容器及其部件的设计

2、可分为基于ANSYS软件中的APDL命令流方式1，对大于“容弹性失效准则的“规则设计(DesignbyRule)”规”设计要求的开孔结构进行应力分析设计，所和基于塑性失效准则的“分析设计(Designby得结果验证了废热锅炉开孔结构设计的可行性，Analysis)”。其中分析设计不仅能够解决压力容同时也为类似压力容器的设计提供了参考。器常规设计所不能解决的问题，而且代表了近1废热锅炉的结构型式代设计的先进水平[11。随着国家节能减排战略方图1所示为废热锅炉的结构示意图，已知管针的提出，国家对化工企业的废热利用提出了箱

3、的直径为CO1750mm，合成气进口开孔尺寸为更高要求。而化工设备的大型化，使得废热锅①990mm，合成气出口开孔尺寸为770mm，蒸炉为达到工艺要求，在其设计中某些部件的设汽出口的开孔尺寸为CO1520mm，而壳程大端的尺计可能会超过GBl51．1999《管壳式换热器》[2或寸为①2600mm，其中合成气进出口和蒸汽出口的GBl50．1～l50．4．2010《固定式压力容器(征求意开孔尺寸大于压力容器规范的设计要求，采用常见稿)》[3的规定，从而必须要采用JB4732．1995规设计方法已不能满足其工作要求。《钢制

4、压力容器一分析设计标准》[4对其进行应力该废热锅炉的相关工艺参数为：管程的设分析设计。计压力16．8MPa，工作压力l5．6MPa，温度载荷为某公司生设计的一台U型管式废热锅炉，由385℃，壳程的设计压力6．0MPa，工作压力为于工艺条件要求，其中合成气进出口及蒸汽出口4．1MPa，温度载荷275℃。的开孔大于压力容器规范的设计要求，本文利用155615582900图1废热锅炉结构示意图2建立分析模型热锅炉结构的对称性与分析工况，建立的有限元分析模型及其载荷和热边界条件如图2所示。由于废热锅炉在工作中要承受高温、高压

5、，在对其开展应力分析设计时，必须考虑温度应力对其作者简介：张春娥(1966一)，女，湖南湘潭人，1986年毕业于湖南湘潭大学，工程师。长期从事锅炉压力容器设计和审结构的影响，即要开展结构—热耦合分析。根据废核工作。学兔兔www.xuetutu.com第1期张春娥U型管式废热锅炉大开孔结构的应力分析设计．15．蒜浅出ISi箍钟j_l：，漳哆i◆一，一。。r·●I1’：毙程辞滞翘嚣(a)合成气进出口(b)蒸汽出口图2有限元分析模型及其载荷条件其中合成气进出口模型为管箱对应位置的过程为：先分析图3所示模型的温度场，并保存1

6、／4，蒸汽出口模型取蒸汽接管的1／4模型，并在节点温度文件，然后将SOLID70单元转换成结构对称面上施加对称约束；图2中的P表示管程压单元SOLID187单元，输入材料的相关性能参数力，P。为壳程压力。对于热分析，管箱内施加管如弹性模量、泊松比、热膨胀系数，施加压力载程对流边界条件，通过计算得到其对流换热系数荷的同时读入节点温度文件，即将节点温度施加为5．83×10～W／(mm．℃)；壳程与蒸汽接管内侧施到每个节点上，再进行分析求解，该求解方式在加壳程对流边界条件，其对流换热系数6．0×104ANSYS软件中称为间

7、接耦合求解【6】。W／(mm．℃)；而在废热锅炉外侧施加自然对流边界通过采用上述求解过程，可得到废热锅炉合条件，其对流换热系数6．0×10W／(mm．℃1。成气进出口结构的温度场和热应力如图4所示，蒸对图2所示的分析模型，采用ANSYS软件中汽出口的组合应力和位移如图5所示，限于篇幅，SOLID70单元，编写了APDL命令流程序，利用扫这里没有显示所有的分析结果。掠与映射方式划分的网格如图3所示。在应力分析设计中，应当对不连续区域进行应力评判，图6、图7显示了两个分析模型中的应3分析结果及讨论力评判位置。通过对分析结

8、果进行线性化处理，在ANSYS软件中，结构一热耦合问题的分析得到的评判结果如表1和表2所示。(a)合成气进出口(b)蒸汽出口图3网格模型学兔兔www.xuetutu.com16．一论文广场石油和化工设备20一12年第15卷HSSTSDSS^N∞耋=驰m凇娜掀LAplI=ET一一=一一ll．童1ll16l3NOV12201OS．．7STEP=lO