U型管式废热锅炉大开孔结构的应力分析设计VIP

一 1 4 一 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 l 2 年 第 1 5 卷 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 4 1 1 2 0 2 ) 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A N S Y S 软件q b A P D L 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 计可 分 为基 于 弹性失效准 则的 “ 规则设计( De s i g n b y R u l e ) ” 和基 于塑 性 失效准 则 的 “ 分析 设计 ( De s i g n b y An a l y s i s ) ”。其中分析设计不仅能够解决压力容 器 常规 设计所 不 能解决 的 问题 ，而 且代 表 了近 代设计 的先进水平 1 1 。随着 国家节能减排 战略方 针 的提 出 ，国家对 化工 企业 的废热 利用 提 出 了 更 高要 求 。而化 工设备 的大 型化 ，使得 废热 锅 炉 为达 到工 艺要 求 ，在 其设 计 中某些 部件 的设 计可能会超过GBl 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 2 或 GBl 5 0 1 l 5 0 4 2 0 1 0 固定式压力容器 ( 征求意 见稿 ) 3 的规定，从而必须要采用J B 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准4 对其进行应力 分析设计。 为某公司生设计的一台U型管式废热锅炉，由 于工艺条件要求 ，其 中合成气进 出口及蒸汽 出 口 的开孔 大于压力容器规范的设计要求 ，本文利用 1 5 5 6 1 5 5 8 2 9 0 0 A NS YS 软件中的AP D L 命令流方式 1 ，对大于 “ 容 规 ”设计要求的开孔结构进行应力分析设计 ，所 得结果验证了废热锅炉开孔结构设计的可行性， 同时也为类似压力容器的设计提供了参考 。 1 废热锅炉的结构型式 图1 所示 为废 热锅炉 的结构示意 图， 已知管 箱的直径为 CO 1 7 5 0 mm，合成气进 口开孔尺寸为 9 9 0 mm，合成气 出口开孔尺寸为 7 7 0 mm，蒸 汽出口的开孔尺寸为 CO 1 5 2 0 mm，而壳程大端的尺 寸为2 6 0 0 mm，其中合成气进 出口和蒸汽 出口的 开孔尺寸大于压力容器规范 的设计要求，采用常 规设计方法已不能满足其工作要求。 该 废热 锅炉 的相 关工 艺 参数 为 ：管程 的 设 计压 力1 6 8 MP a ，工作压力l 5 6 MP a ，温度载荷 3 8 5 ，壳程 的设计 压力6 0 MP a ，工作 压力 为 4 1 MP a ，温度载荷2 7 5 。 图1 废热锅炉结构示意图 2 建立分析模型 由于废热锅炉在工作中要承受高温、高压，在 对其开展应力分析设计时，必须考虑温度应力对其 结构的影响，即要开展结构热耦合分析。根据废 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。 作者简介：张春娥 ( 1 9 6 6 一)， 女，湖南湘潭人，1 9 8 6 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 核工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 1 5 ( a )合成气进 出口 蒜浅出 IS i 箍钟 j_l： ， 漳 哆 i 一 ， 一 。 r I 1 ：毙程 辞滞翘嚣 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 1 4 ，蒸汽出口模型取蒸汽接管的1 4 模型，并在 对称 面上施加 对称约 束 ；图2 中的P 表 示管 程压 力 ，P 。 为壳程压力 。对于热分 析，管箱 内施加管 程对流边 界条件 ，通过计算得到其对流换热系数 为5 8 3 1 0 W ( mm ) ；壳程与蒸汽接管内侧施 加壳程对流边界条件 ，其对流换热系数6 0 1 0 4 W ( mm ) ；而在废热锅炉外侧施加 自然对流边界 条件，其对流换热系数6 0 1 0 W ( m m 1 。 对 图2 所示 的分析模型 ，采用ANS YS 软件 中 S O L I D 7 0 单元，编写了A P D L 命令流程序，利用扫 掠与映射方式划分的网格如图3 所示。 3 分析结果及讨论 在ANS YS 软件 中，结构一热耦合 问题 的分析 ( a )合成气进出口 ( b )蒸汽出 口 过程 为：先分析 图3 所 示模型 的温度场 ，并保存 节点温度文件 ，然后将S OL I D7 0 单元转换成结构 单元S OL I D1 8 7 单元 ，输入材料 的相 关性能参数 如弹性模量、泊松 比、热膨胀系数，施加压力载 荷 的同时读入节点温度文件 ，即将节 点温度施加 到每个节点上，再进行分析求解 ，该求解方式在 A NS YS 软件中称为间接耦合求解【 6 】 。 通过采用上述求解过程 ，可得 到废热锅炉合 成气进 出口结构的温度场和热应力如图4 所示，蒸 汽 出口的组合应力和位移如图5 所示 ，限于篇幅 ， 这里没有显示所有的分析结果。 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 力评判位置 。通过对分析结果进行线性化处理 ， 得到的评判结果如表1 和表2 所示。 图3 网格模型 ( b )蒸汽出口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 1 6 一 论文广场 石 油 和 化工 设 备 2 0 1 2 年第1 5 卷 ST EP =l SU B =1 TI ME =1 SI 蛙T f AVG D = 1 5 24 S MH =1 6 07 S MX =320 64 9 N NO V 1 2 201 O 搿 瓣 5 05 一 一 14 3 , 4 0 4 2 14 , 3 0 2 ； 37 056 1 07 9 55 17 8 8 53 249 7S1 320 64 ( a )温度分布 ( b )热应力分布 图4 合成气进出口结构的温度场及热应力分布 S TEP=l SU B：l TI ME 1 US UM ( A V RS YS= 0 D MX = 6 5 43 S MH ； 2 5 99 S吣 = 6 5 43 3 0 37 3 914 4 ， 7 9 Design Pressure ( a )组合应力 ( b )位移 图5 蒸汽出口结构在设计压力下的组合应力及位移 台戒 图6 合成气进 口结构的评判位置 ： 进 口 O 5 6 1 S 7 l l 1 6 l 3 L l I =一 一 =一 一 l l A p E T 耋 = 驰m 凇娜掀 H S S T S D S S 嚣 一 鐾 童 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第l 期 一 J 7一 蒸汽出口接管 图7 蒸汽出口的评判位置 表1 合成气进出口结构中各路径的应力 应力分类 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 P L + P b 4 3 4 2 9 0 2 6 6 4 7 6 4 1 7 2 5 6 8 9 7 6 2 2 O 4 4 O 2 7 7 3 6 0 1 9 6 8 2 2 9 9 9 1 2 9 5 1 0 9 9 1 0 7 4 1 3 7 7 1 7 4 0 9 4 9 5 7 6 6 7 9 3 1 0 0 7 1 9 2 2 l 1 8 8 1 3 9 1 3 6 6 1 7 8 1 8 9 1 P L + P b + Q ( 0 ) ( I ) ( I ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) ( O ) ( 0 ) ( 0 ) ( I ) ( O ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) 表2 蒸汽出口结构中各路径的应力 应力分类 l 2 3 4 5 P L + P b l 3 7 2 6 7 5 5 6 1 2 9 9 9 8 P L + P b + Q 4 7 9 ( 0 ) 7 0 6( I ) 1 3 0 3 ( I ) 3 6 O 4 ( I ) 2 2 9 ( I ) 由文献【 】有薄膜应力P L + P I 5 【 0 】 ，薄膜应力 + 二次应力P L + P b + Q 3 【 O】 ，合成气进出口结构材 料的许用应力为1 5 0 MP a ，蒸汽结构材料的许用应 力为1 3 7 MP a ，将表l 和表2 中的应力值与其对应材 料的许用应力值相 比较可知 ，各路径上的应 力值 均满足设计要求 。 4结束语 本文针对某公司的U型管式废热锅炉大开孔结 构 ，利用ANS YS 软件 中的AP DL 方式 ，按照规 范 要求对其进行 了应力分析设计，通过对各路径 上 的应力评判 ，确定该设计方案可行 ，该设备 已制 造完成并投入运行。本文的研究思路可为同类产 品的设计提供一些参考。 参考文献 【 1 】 龚曙光 A NS YS 在应力分析设计中的应用【 J 】 化工装备技 术，2 0 0 2 ，2 3 ( 1 ) ：2 9 - 3 3 【 2 】 GB1 5 1 1 9 9 9 ，管壳式换热器 s 】 3 】 GB1 5 0 1 1 5 0 4 2 0 1 0 ，固定式压力容器 ( 征求意见稿) 【 S 】 【 4 】 J B 4 7 3 2 1 9 9 5