带圆角矩形压力管道有限元应力分析VIP

一 1 6 一 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 2 年 第1 5 卷 带圆角矩形压力管道有限元应力分析 江茂强 ，李星星 ，罗筱薇 ( 中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 4 3 0 2 2 3 ) 摘 要 以某T R T 进口带圆角长矩形压力管道为例， 运用有限元软件A N s Y s 建立了三维有限元模型，研究了带圆角矩形压力管 道的应力分布特点。按照分析设计规范对其进行了强度评定，针对应力分布的不合理性提出了结构改进措施，对不同的加强 方法进行了 对比分析，为矩形压力管道的设计计算和工程应用提供参考。 关键词T R T ；压力管道；圆角矩形管道；有限元应力分析 T R T是利用高炉炉顶煤气的压力能及热能，使 煤气通过透平机 膨胀做功 ，驱动发 电机发 电的一 种二次能源回收装置 。在额 定工况下 ，可回收高 炉鼓风机所需能量 的3 5 4 0 t ” ，经济效益十分 显著 ，而且还能降低噪音、稳 定炉顶压力 、改善 高炉 生产条件 ，是现代 国内外钢铁企业 公认 的节 能环保装置。 T R T 进出 口接管均为矩形接管【 2 】 ，相对 圆形管 道，矩形管道结构形式和应力分布较为复杂，文 献 2 曾报 道鞍钢7 高炉配套T R T 装置入 口方管道发 生爆裂事故，给高炉生产带来损失。虽然G B1 5 0 【 3 】 附录A中提供 了对带圆角矩形压力管道的设计计算 方法 ，但并未 明确给 出其应力场 分布特 点及变形 特点，并且至今为止对矩形或带圆角矩形压力管 道进行分析和计算 的文献还较为少见【 4 】 。本文以 某T R T 进 口接管为例，利用有限元软件进行了数值 模拟，详细分析了带圆角矩形压力管道 的应力场 分布特 点及变形分布特 点，为工程设计和研究提 供参考 。 1 有限元分析模型 1 1 模型几何尺寸及材料性能 管 道 横 向断 面 长 度L1 = 2 0 2 6 mm， 宽度 L 2 = l 1 9 6 mm，圆角处外表面半径 r =l 1 3 ram，管道 纵向长度 L 3 = 1 0 0 0 mm。 管 内工 作 介 质 为 高 炉 煤 气 ， 工 作 压 力 为 0 2 0 2 5 MP a ，工 作温度 为1 5 O 。管道 材质为 Q3 4 5 R，弹性模量E t = 2 0 1 GP a ，泊松 比 = O 3 ，应 力强度S m= 1 9 6 MP a 。 文中建立 了5 种不同工况，以进行对 比分析 ， 考察不同壁厚及设置不同加强筋情况下矩形压力 管道的应力场分布特性及变形特点： c a s e l ：无加强筋，管道壁厚t = 1 6 mm； c a s e 2 ：无加强筋，管道壁厚增至t = 3 O mm； C a s e 3： 设 置 纵 向 加 强 筋 ， 加 强 筋 壁 厚 t = 1 6 mm；高度h = 1 2 0 m m； C a s e 4： 设 置 横 向加 强 筋 ，加 强 筋 壁 厚 t = 1 6 mm；高度h = 1 2 O mm； c a s e 5： 设 置 十 字 加 强 筋 ， 加 强 筋 壁 厚 t = 1 6 mm；高度h = 1 2 0 mm 1 2 有限元网格划分 根据几何模型的对称性 ，本文取结构的1 4 为 分析模型，网格划分采用三维8 节点六面体单元 ， 沿 厚度方 向划 分2 层单 元 ，有 限元模 型 如 图1 所 示。 1 3 载荷及边界条件 本 文所 考虑 的载荷 仅 为 内压 ，计算 压 力 取 0 2 5 MP a 。边界条件施加如下 ：在沿管道周 向 的两 个对称面上施加对称 性约束 ；在管道 的两端施加 沿轴向的位移约束。 2结果分 析与讨论 2 1 变形分析 图2 为计 算 得到 的c a s e 1 工 况下 带 圆 角矩 形 压力管道的变形图，管道的最大变形发生在长 边对 称面 处 ( A点 )，总变形 即为沿Y 方 向变形 U = U y = 2 6 3 m m，管道在x 方向的最大变形发生在短 边对称面处 ( B点)，总变形为U = Ux = 6 8 5 mm。 作者简介：江茂强 ( 1 9 8 6 一)，男，安徽池州人，硕士，工程 师。主要从事压力容器和压力管道设计 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m