（动力机械及工程专业论文）硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 硫磺冷凝器是石化企业的重要设备之一，其主要功能是将过程气中的气态硫冷凝回 收。对硫磺冷凝器进行温度场和应力场的耦合分析，有助于改善冷凝器的结构和操作工 艺，对节约材料和能源、实现安全连续生产具有重要作用。 硫磺冷凝器属于固定管板式换热器，结构复杂，几何尺寸庞大，如果采用实体单元 建模，得到的有限元模型和求解矩阵规模非常大，几乎不能应用于p c 机上。本文应用 通用商业有限元软件a n s y s ，灵活应用a n s y s 提供的各种结构单元和热单元进行建 模，在保证计算精度的基础上，减小了计算规模。温度场分析采用s o l i d 7 0 单元，对 热影响区内的管板和部分换热管、壳体进行对流换热条件下的稳态温度场分析，并建立 管板与换热管的单元模型，得到了换热管壁温的温度分布。应力场分析采用s o l i d 4 5 实体单元模拟热影响区，加载温度场的分析结果作为温度载荷；热影响区外的壳体采用 s h e l l 6 3 壳单元模拟，换热管采用b e a m l 8 8 梁单元模拟，并加载单元模型计算结果作 为温度载荷；出口端管板采用s h e l l 6 3 单元模拟，根据等效管板理论计算其强度减弱 系数，通过定义减弱了的材料常数把出口端管板作为无孔当量板进行计算。同时引入 t a r g e l 7 0 ，c o n t a l 7 3 和c o n t a l 7 5 接触单元，采用m p c ( 内部多点约束) 方法连 接梁单元换热管与实体单元换热管；采用s h s d ( 壳一实体装配) 耦合方法连接壳单元 的壳体和实体单元壳体，从而实现不同单元问的载荷传递和变形协调。 根据求解得到的硫磺冷凝器的稳态温度场和应力场，定义了典型路径，进行结果路 径分析，取得了硫磺冷凝器的稳态温度场和应力场的分布特征。 关键词：硫冷凝器；应力场；温度场 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 t h e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e s sf i e l di na s u l f u rc o n d e n s e r a b s t r a c t s u l f u rc o n d e n s e ri so fg r e a ti m p o r t a n c ei np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，w h i c hi sa p p l i e dt o r e f r i g e r a t et h es u l f u rg a si ns u l f u rr e c o v e r yu n i t s f o rt h es a k eo fe c o n o m ya n ds a f e t y ，i ti s n e c e s s a r yt og i v eaf u l la n a l y s i so f t h et e m pf i e l da n ds t r e s sf i e l di ns u l f u rc o n d e n s e r s u l f u rc o n d e n s e ri sas o r to ff i x e dt u b e - s h e e th e a te x c h a n g e r c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x c o n s t r u c t i o na n dt h el a r g ed i m e n s i o n , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li st o ol a l g ea n dt h em a t r i x f o r m e di st o oc o m p l i c a t e dt oc a l c u l a t eo np ce q u i p m e n tb yu s i n gt h es o l i de l e m e n t s a n i m p r o v e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs u l f u rc o n d e n s e ri se s t a b l i s h e db yt a k i n gu s eo ft h es o l i d ， s h e l la n db e a ms t r u c t u r ee l e m e n t sp r o v i d e di nt h ea n s y sc o d e i n s i d et h et h e r m a li n f l u e n c e d i s t r i c t s o l i de l e m e n ti su s e di nt l l em o d e l i n g w h i l eo u t s i d et h ed i s t r i c tt h es i m p l i f i e d e l e m e n t s ( s h e l l b e a m ) a r ep u tt ou s e t h e r m a ls o l i de l e m e n ti ss o l i d 7 0 ；s t r u c t u r a le l e m e n t s a l es o l i d 4 5 s h e l l 6 7a n db e a m l 8 8 n l el o a dt r a n s m i s s i o na n dd i s t o r t i o nb e t w e e n d i f f e r e n te l e m e n t sa r ea c h i e v e db ya p p l y i n gt h em p c ( m u l t i p l ep o i n t sc o n t a c t ) a n ds h s d f s h e l l s o l i da s s e m b l y ) t e c i m i q u e t a e g e l 7 0 c o n t a l 7 3a n dc o n t a l 7 5c o n t a c te l e m e n t s a l er e q u i r e di nm p ca n ds h s dc o n n e c t i o n st oe s t a b l i s hc o n t a c tr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h ec a l c u la _ t i o n , t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d so fs u l f u rc o n d e n s e ra r e o b t a i n e d m o r e o v e r t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni sd i s c u s s e dt h r o u g hp a t h o p e r a t i o nt og i v ea na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d so fs u l f u r c o n d e n s e r k e yw o r d s ：s u l f u rc o n d e n s e r ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圣蕉日期：垫么 兰：塑 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 谚孑互 卫近年旦月坚日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 近年来，国民经济飞速发展，我国能源需求十分旺盛，石化行业发展很快。随着生 产规模的不断扩大，在生产过程中使用的设备日益趋向大型化，操作条件也越来越苛刻， 对运行的可靠性和安全性提出了更高要求。计算机软件和硬件的发展和有限元方法的成 熟，标志着利用计算机进行c a d c a e 和安全性评价成为可能，本文利用有限元软件对 某石化厂硫磺车间的硫磺冷凝器进行了在役状态下的温度场和应力场模拟，可以得到比 普通工程计算更为精确的计算结果，以期指导生产实践。 1 。2 论文选题的目的与意义 换热器是进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、石油、轻工、食品、医药、 动力、核能、电站以及空调、制冷等许多行业。硫磺冷凝器作为一种冷凝换热器，是石 油化工企业的重要设备之一。其主要功能是将上游装置( 主要是溶剂再生装置与污水汽 提装置) 送来的酸性气中的气态硫转化成固态硫，将硫磺回收，加以利用，同时配套其 它设备将硫磺回收过程中产生的废气进行处理，处理后的达标废气通过烟囱排向大气。 可见硫磺冷凝器对石化企业实现连续生产具有重要作用，一旦发生故障，不仅影响产品 质量，还会对整个生产装置的正常运行造成严重的影响，甚至停产，冷凝器内的压力较 高或者有毒的气( 液) 体，还会对附近的装置和人员构成威胁。由此可见，它的安全使 用问题十分重要。此外，冷凝换热设备不仅是石油化工中重要的设备，而且也是合理利 用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。对硫磺冷凝器进行温度场和应力场的全面 分析，有助于改善冷凝器结构和操作工艺，起到节省材料、节约能源和实现安全连续生 产的作用，具有很大的经济效应和理论指导意义。 1 3 相关领域的研究历史和现状 硫磺冷凝器属于管壳式换热器，它是目前用得最广泛的一种换热器。主要由管板、 管子、壳体和折流板等组成。在圆筒形壳体中放置了许多管子组成的管束，管子的两端 固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。折流板则安装在壳体内，起支撑管束的 作用，增加壳程流体的湍流速度，改善传熟。管壳式换热器以其高度的可靠往和广泛的 适应性，在长年操作的过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到新型换热器的挑战， 但反过来也促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占据主导地位。 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 在管壳式换热器中，管板是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀及来自此 三部件载荷的主要部件，是管壳式换热器不可缺少的重要元件。管扳用于排布换热管， 将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度 的作用。当换热器承受高温、高压时，高温和高压对管板的作用是矛盾的。增大管板厚 度，可以提高承压能力，但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力 增大；减薄管板厚度，可以降低热应力，但承压能力降低。正确分析管板受力状态，合 理确定管板厚度，对保证换热器安全运行、节约材料和降低成本等起着非常重要的作用。 管板的实际受力情况十分复杂，对于固定式管板，由于温差而导致的热应力使问题更为 复杂，在研究中往往将实际情况加以必要简化，以进行强度分析、推导和论证，但这就 昱致计算与实际情况存在着差异。 由此可见，管板在管壳式换热器的设计中占有重要地位，本文对硫磺冷凝器的计算 分析也是围绕管板温度场和应力场的计算展开的。 管板的结构和承受的载荷都非常复杂，这使得到管板的解析解非常困难。前人对管 板的研究以及各国的管板设计规范大多采用等效板( 当量板) 理论，即对管板的开孔区 采用具有等效弹性常数的无孔实心板来代替多孔的管板，这样可以应用弹性范围内的经 典实心板理论。等效实心板具有适当的弹性常数，以便在承受相同的载荷时，与真实的 板表现出相同的特性，从而实现对管扳强度与刚度的分析。此外，基于弹性基础上的多 孔当量实心圆板理论从1 9 4 8 年g a r d n e r 提出用相同尺寸和相同特性的当量实心板束代替 真实的多孔板开始，已经经过三个阶段的发展，这些理论方法能够确定三角形开孔排列 形式和正方形开孔排列形式( 以前没有包括) 的有效弹性常数，在管板的实际设计中得 到了很广泛的应用，被很多国家的管板设计规范所采用。比较早出现的管板设计规范是 美国的管壳式换热器制造商协会( t e m a ) 标准，将管板受力看成是周边固支或简支的 固定圆平板受均布载荷的问题。虽然计算公式简单，但适用范围和计算精度都有比较大 的限制。7 0 年代以后，中国、法国、美国等各自独立地进行了管板应力分析方法的研究， 改善了t e m a 设计方法所依据的简化力学模型，并进一步推出了各自的管板设计方法。 各国管板设计标准推出时间及其理论基础如表1 1 所示。 大连理工大学硕十学位论文 表1 1 各国管板设计计算标准推出时间表 t a b 1 1t i m e t a b l eo f t u b es h e e td e s i g nc r i t e r i o n 标准理论基础 固定管板式u 形管式浮头式 t n 仉1 9 4 1t e m a + g a r d n e r1 9 5 2t e m at e m a b s l 5 1 51 9 6 5g i l e r1 9 5 2m i l e r1 9 5 2 m i l e r1 9 5 2 b s 5 5 0 01 9 7 6 t e l l a g a r d n e r1 9 6 9g a r d n e r1 9 6 9 g b l 5 11 9 7 7 k c h w a n g1 9 7 7k c h w a n 9 1 9 7 7k c h w a n 9 1 9 7 7 c o d a p1 9 8 0 g a l l e t l y1 9 5 9 g a r d n e r1 9 6 9g a r d n e r1 9 6 9 a s m e1 9 8 2s o l e r1 9 6 9g a r d n e r1 9 6 9s o l e r1 9 8 4 1 4 硫磺冷凝器分析方法的发展 1 4 1 管板强度分析方法及有关理论发展概述 与管壳式换热器管板的强度计算有关的理论问题，目前仍是一个活跃的研究领域。 因为管板的实际受力情况十分复杂，在研究中往往将实际情况加以理想化，以进行强度 分析、推导和论证。这导致计算与实际情况存在着差异。在管壳式换热器内，由于封头、 管箱、壳体、管子的内压强度和外压稳定计算，以及耳架的强度计算及其壳体部分的局 部应力计算，与普通压力容器相同，而在换热器的实际使用中经常碰到在管板和法兰部 分发生泄漏，因此管壳式换热器管板的应力分析和计算就显得非常重要。管板是连接壳 体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件的载荷的主要部件，是管壳式 换热器不可缺少的重要元件，也是设计计算时的重点考虑对象。 基于管壳式换热器的管板是一个多孔平板，长期以来，人们应用经典薄板理论作为 管板强度分析的基础。板受到垂直于中面的侧向载荷作用时，将产生弯曲变形。板弯曲 的问题，作为一个弹性力学问题，必须满足弹性力学的基本方程【“，即为： 平衡方程： v 盯+ f = 0 ( 1 1 ) 变形几何方程( 应变一位移关系) ： v 占v = 0 ( 1 2 ) 物理方程( 应力一应变关系) ： 盯= d e ( 1 3 ) 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 板的弯曲性质在很大程度上决定于它的厚度。如果板的挠度较之于板厚为小量，则 通过k i r c h h o f f l o v e 假设：1 、板的中面没有变形，在弯曲时此面保持中性；2 、假定变 形前中面的法线仍然是变形后中面的法线，即假定平板截面内的剪应力为零；3 、假定 平板内各层互不挤压，平板法向的正应力为零。便能建立起一套很有效的承受侧向载荷 的板弯曲的近似理论。根据这一理论便可推导出薄板小挠度理论的挠曲微分方程： v 2 v 2 w ：旦 d ( 1 4 ) 其中v 为拉普拉斯算子，w 为挠度，q 为载荷强度，d 为板的弯曲刚度： 。2 可e h 刁3 ( ，) 其中e 为弹性模量，v 为泊松比，h 为板厚。 对于实心圆板，当外加载荷及板的支承条件对于旋转轴为对称时， 称问题。此时拉普拉斯算子为 v ：竺+ ! 旦 d r 2rd r 此时挠曲微分方程的通解为： 问题将化为轴对 ( 1 6 ) w ：a r 2 + k + 6 4 d ( 1 7 ) 其中a 、k 为待定常数 此时可以定义一个对实心圆板来说与其周边结构有关的应力系数矿来计算板中的 最大径向应力，且已知实心圆板的材料在设计温度下许用应力b i 时，便可得到下式 咿茸。障1 2 b i ln ( 1 8 ) 由上式可见，实心圆板的厚度与其直径及所受载荷成正比，而与其材料的强度成反 比。当载荷与材料强度一定时，则其厚度将随直径的加大而增厚。 等效管板强度计算大致可分为两种类型：1 将管板视为实心薄圆板，考虑经验性的 修正系数，以反映各种影响因素的作用。2 以弹性基础上多孔当量实心圆板理论为基础 推导而得。 大连理工大学硕士学位论文 早期的管板强度计算方法多数属于第一类型，如早期美国t e m a 标准和现行德国 a d 标准、现行日本j i s b 8 2 4 3 标准等。其基础是忽略管子对管板的支承作用，认为管壳 式换热器管板是一个实心圆板，加上各种不同的经验性结构系数进行修正，属于一种经 验公式。这种计算方法缺少理论支持，与实际情况也不甚相符，忽略的因素较多，计算 比较粗略，结果偏差较大。目前各国都在发展第二类型的计算方法，例如我国的g b l 5 1 标准、美国t e m a 标准，法国c o d a p 标准等。 当量实心管板的理论从1 9 4 8 年至今共经历了三个阶段。 第一阶段：1 9 4 8 1 9 5 9 。1 9 4 8 年，g a r d n e r 2 】首先提出在承受相同载荷时，用相同尺 寸和相同特性的当量实心板来代替真实多孔板，为考虑开孑l 对管板削弱的影响，定义一 个因数”为开孔后板的抗挠刚度d + 与开孔前板的抗挠刚度d 的比值，称为“挠度系数” 或“管板削弱因数”。由于缺乏实验支持，同年g a r d n e r 根据最小管桥宽度( 又称孔闯 带系数) ，提出了目的计算公式。 ”1 4 s i n - 1 i 譬( 1 一) l 乃 l z j n 9 1 例一三。i n - ! i 粤( 1 一) l 石 l z j ( 1 1 0 1 上面两式分别为换热管为三角形和正方形排列时管板削弱系数计算公式，其中l 是最小 孔间带系数，2 = 1 d p ，d 为换热管外径，p 为管间距。 1 9 5 2 年，m a l k i n 和h o r v a y p , 4 i 提出另一种描述开孔对板削弱的方法，采用当量实心 板的有效弹性模量酽和泊松比v ，来代替当量实心板的抗挠刚度d + ，以使当量实心板的 挠度与真实开孔板的挠度一致。1 9 5 5 年，基于承受弯曲载荷的管板实验研究，d u n c a n 提出了管板削弱系数目的关联式【5 】： ，一 栌霄 ( 1 1 1 ) 其中降与分别指开孔前、后的挠度 这些理论有效的支持了工程应用，但由于缺乏坚实的理论支持，其计算结果与实验 结果并不能做到足够相符。 第二阶段：1 9 6 0 1 9 6 2 。该阶段对e * e 和v + 值的规律进行了理论和实验的深入研究， 理论计算值和实验结果较吻合。1 9 6 0 年，s a m p s o n l 6 】用光弹法在矩形塑料板中进行了实 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 验，认为对于两个垂直方向内的平面载荷，e * e 的值与载荷方向无关；对于弯曲载荷， e + e 和2 值与载荷方向无关，呈现各向同性。此外，他还提出，e e 的值与管板厚度h 和管间距p 之比h p 有关，认为h = 2 p 是多孔薄板和多孔厚板的一个过渡区。同年，l e v e n 在圆形塑料板上用实验验证了s a m p s o n 的结果，认为这些值比h o r v a y 和m a l k i n 的值更 准确 7 1 。1 9 6 2 年，o d o n n e l l s 对综合了这些结果，提出一组平面载荷状态下和弯曲载荷 状态下的曲线，用于确定三角形节距的多孔厚板的e + e 和v 值。 第三阶段：1 9 6 3 至今，该阶段是以非常有力的理论方法的出现为界限，这些理论方 法能够确定三角形开孔排列形式和正方形开孔排列形式下的孔间带系数的函数、e t e 和v + 值。 七十年代前期s l o t 、o d o n n e l l 以及和l a n g e r 9 a 0 1 继续在管板的有效弹性常数领域做 了大量工作，得到了用于一般平面应力的当量弹性系数。1 9 7 8 年p o r o w s k i 和o d o r m e l l 采用有限元应力分析的方法，对在压力和复杂热载荷下的开孔板进行了研究 h 1 。用当量 固体材料各向异性的概念来定义弹性矩阵，并用其分析了具有三角形排列和矩形排列的 轴对称多孔板。给出了此轴对称问题应力一应变的矩阵关系式。 同一时期我国的黄克智、薛明德、李世玉也提出了固定管板换热器管板应力的一种 建议计算方法【1 2 1 。考虑了管板外侧不开孔区对管板中应力的影响，以及当管板和壳体法 兰中面不在同一平面内时，沿管板自身平面内的均匀拉伸力对管板中应力分布产生的影 响，所得的计算结果与三块管孔为三角形排列的管板试验得到了很好的符合。1 9 8 4 年日 本的t t e r a k a w a 1 3 】等采用应变仪，通过在三角形排列的矩形孔板试样上施加单轴向拉 伸载荷和纯弯曲载荷，进行应变测量试验。验证了a s m e 推荐的有效弹性模量，并采用 有限元计算得到了与一个真实大尺寸换热器在静力条件下应力测量符合较好的结果。这 一阶段以使用计算机，应用严密、有力的理论方法为特征，得出了有效弹性常数的可信 值。结果表明必须考虑h p 比值为特征的板厚的三个范围：很薄板范围( h p 1 ) ，e * e 也与板厚无关；中间范围内有效弹性常数与板 厚有关。给出了计算有效弹性常数的曲线，这些曲线己在法国c o d a p 规范管板设计中 使用。 随着工业发展，管壳式换热器的应用趋向大型化，操作条件也更加苛刻，对管板设 计计算的可靠性、精确性及经济性提出了更高的要求。然而当量板法是基于弹性薄板理 论，不可避免地存在着必要简化；同时，各国的管板设计规范还是基于管板载荷与约束 均具有轴对称性而导出的，实际上除了单管程、单壳程换热器管板外，其余各种换热器 管板都不能满足这一条件；另外，采用无孔当量板还不能准确模拟管板上的温度场，因 为管板孔，特别是在采用胀接与管子连接时，对管板温度场有重要影响。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 计算机技术的发展使有限元数值分析法在管板研究及设计上的应用成为可能。该方 法的最大优点是可以充分模拟管板的真实结构，以及真实的载荷及边界条件，而不受管 板厚度或其他结构形式的限制，所以越来越受到重视。 1 4 2 有限元数值分析方法与换热器有限元数值模拟研究进展 ( 1 ) 有限元方法概述 随着电子计算机的软硬件水平的飞速发展和广泛应用，有限元分析方法已成为求解 科学技术和工程问题的主要工具【1 4 j 。 其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式互相联结在一起 的单元并组合成体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同 的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。作为一种数值分析方法，有限单元法 的另一重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，来分片地表示全求解域上待求 的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数 值和其插值函数来表达。于是一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个 结点上的数值就成为新的未知量，也称为自由度，从而使一个连续的无限自由度问题变 成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单 元内场函数的近似值，从而得到整个求解区域上的近似解。随着单元数目的增加，也就 是单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度 将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛子精确解。 f 2 ) 管板有限元计算的发展 因为管板结构复杂，在八十年代和九十年代初几乎无法对一个具有几千根管子的实 际换热器进行直接的三维有限元分析，为此s i n 曲与h o l t z ，o h o ，k a s a h a r a 与1 w a t a 等 进行了各种简化模型的计算 1 5 - 1 7 1 。1 9 9 0 年徐定耿【1 8 1 等人应用s a p 5 和s a p 6 程序，在 i b m 4 3 4 1 机上，首次突破等效管板理论，分别建立了1 1 2 5 度和4 5 度管板扇区的结构 进行了分析。并将其结果与等效圆平板理论的轴对称结构进行了比较。分析的结果表明， 对密集程度很高的方形排列的孔板可选取适当角度扇区来处理。1 9 9 7 年太原工业大学的 刘俊明【1 9 1 等人首次应用a n s y s 软件，对基于等效管板理论的厚管板进行了分析。结论 认为管板的最大应力发生在管板与管箱连接的过度圆弧处。1 9 9 9 年，李永锡f 2 0 】等人对 某乙烯装置第二急冷锅炉的管扳进行了有限元分析。他们仍然采用a n s y s 软件，分析 了管板的轴对称结构，然而他们考虑了温差应力的影响。 前面所做的研究都没有考虑管子的支撑作用对管板的影响。2 0 0 2 年w e i y a 、j i n 2 1 】 等人在对管板进行有限元分析时考虑了管子对管板受力的影响。他们分析的是两管程的 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 换热器模型，并考虑了温差应力的影响。他们还建立了两种模型，管子分别用杆单元和 管单元进行模拟并进行比较的结果表明：因为管子在起到支撑作用时弯曲应力很不明显， 所以应用杆单元就足够的精确，如果应用管单元会耗费大量机时。 2 0 0 3 年，北京化工大学的章姚辉、吕洪1 2 2 】等人应用a n s y s 软件，应用实体单元、 壳单元和梁单元建立了管板和换热管的较真实模型，进行了温度场和热应力分析。画出 了管板上的温度分布云图和管板沿厚度方向上的温差应力的变化曲线。计算结果表明在 高参数下，温度载荷对换热器管板造成很大的温差应力。2 0 0 4 年，浙江大学的胡锡文1 2 3 1 等人应用a n s y s 软件，用实体单元建立了考虑管子、壳体和垫片压力影响的薄管板真 实模型。其中建立的管子的数目为3 2 条。对处在压力和温度载荷共同作用下的换热器 管板进行了分析。同时对单独的管板( 不考虑管子和壳体及管箱) 模型进行了热分析，得 到了管板上的温差应力的分布。 前人对管板的研究己经取得了很大的成就，这些成就主要集中在等效管板理论的应 用，包括管板温度或应力的解析解和有限元解。对于等效管板理论，因为等效毕竟是一 种近似，和真实值之间有一定偏差。而有限元方法对于厚管板，管子较多的情况下真实 管板温度和应力场的分析因为受到计算机硬件的限制导致求解困难。而且管板受到的载 荷包括管程压力、壳程压力和温差应力三种载荷的单独、联合或共同作用，存在很多操 作工况。究竟哪种载荷工况是最危险的工况也需要做进一部研究。结合等效板理论和有 限元法可以得到较合理精确的结果，便于在p c 机上实现，有很大实用价值。 1 5 本课题研究的方法和内容 传统的管板设计规范基于弹性基础上多孔当量实心圆板理论，对于管板开孔区和无 孔区的应力计算结果并不准确，而且计算温度场也比较困难。我国标准j b 4 7 3 2 1 9 9 5 把 换热器管板看作是各向同性的轴对称结构，在材料弹性范围内，弹性模量和热膨胀系数 保持不变的情况下计算热应力，而且没有给出管板壁温的计算方法。美国a s m e 规范认 为管板中只在靠近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度( 称为“表皮效应”) ，因 而只在板表面处存在显著热应力，而其余部分热应力可以忽略。但是实际上管板的温度 场还要复杂得多。因此，对换热器进行热分析，得到温差应力对换热器失效的影响，是 非常有必要的。 硫磺冷凝器结构复杂，体积庞大，利用有限元法进行整体建模计算固然可以得到精 确的结果，然而其庞大的单元数目无法在一般工作站上计算，也不易应用。若灵活应用 有限元软件中的实体单元、壳单元和梁单元，由给定的硫磺冷凝器尺寸计算“热影响区” ( 即温度分布受管板影响的区域) ，热影响区内采用实体建模，包括入口管板和部分换 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 热管和壳体，热影响区以外采用梁单元和壳单元，利用当量板理论设定弱化了的管板的 力学常数，不同单元间通过建立m p c ( 内部多点约束) 耦合方程和约束方程来实现变形的 协调和力的传递，就可以得到较精确的结果而且单元数目少，计算方便。应用a n s y s 软件，通过a p d l 语言建立模型和加载载荷，优化计算，可以分析操作工况下的硫磺冷 凝器温度场与应力场，研究冷凝器管板中的应力分布特点，为以后大型固定管板式硫磺 冷凝器的管板设计提供参考。 对硫磺冷凝器整体温度场和应力场分析研究的主要内容包括以下几个方面： 1 建立精确的三维有限元模型，包括： 1 ) 由进口端以实体单元和出口端以梁一壳单元模拟的简化后的整体冷凝器有限元 模型； 2 ) 用于温度场分析的基于实体单元的有限元模型； 3 ) 用于温度场分析的单元模型。 2 得出硫磺冷凝器的温度场，并对温度分布曲线特点进行分析； 3 对温度载荷与机械载荷耦合情况下换热器和管板的有限元模型做应力分析； 4 对四种危险工况下管板的应力场进行校核分析； 5 依据j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器分析设计标准对管板进行评定和设备的安 全性分析。 6 对机械载荷与温度载荷对换热器的影响进行比较和评估。 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 2 硫磺冷凝器模型的建立 2 1 硫磺冷凝器概述 2 1 1 硫磺冷凝器工艺简介 某石化厂硫磺车间采用的是8 0 k t a 硫磺回收装置，其冷凝冷却器共分为三级，均为 卧式固定管板管壳式换热器。为保障安全生产与连续生产，对冷凝器进行详细的温度场 及应力场分析校核是非常必要的。典型的硫磺冷凝器工艺流程示意图见图2 1 ( 二级克劳 斯+ s s r 尾气回收) 2 4 1 , 含h 2 s ( 约9 5 ) 的酸性气和污水汽提酸性气的原料气经气一水 分离罐除去水分后，进入转化炉进行部分燃烧( 温度为1 3 0 0 。c 左右) ，燃烧所需空气由鼓 风机供给。炉内约有6 5 的h 2 s 直接生成了气体硫s x ( s 2 ，s 6 ，s 8 ) ；而余下的3 5 h 2 s 中有三分之一生成了s 0 2 ，三分之二保持不变。燃烧后含有h 2 s 、s 0 2 、h 2 0 、s x 的反 应过程气有8 0 8 5 通过废热锅炉，降温至3 5 0 。c 。过程气中有一部分s 2 变为s 6 ，并 随过程气一起进入一级冷凝冷却器，进一步冷至1 6 0 。c 后一级捕集器底部分出。从一级 捕集器顶部出来的气体与其余1 5 2 0 高温过程气体( 从转化炉出来，未经过废热锅 炉) 中的一半掺合，使气体温度提高( 达3 2 0 0 c ) 后进入一级转化器，在催化剂作用下，硫 化氢、二氧化硫进一步转化生成气体硫。转化后的过程气体再经二级冷凝冷却器冷至 1 6 0 。c 后，进入二级捕集器分离捕集。从二级捕集器顶部出来的气体再与另一半高温过 程气掺合后，进入二级转化器进行二次转化，转化后的气体经三级冷凝冷却器冷至 1 3 0 。c ，再进三级捕集器分离出液硫，分出硫后的硫磺尾气送往下游的尾气处理装置。 图2 1 硫磺回收工艺流程图 f i g ，2 1s u l f u rr e c o v e r yf l o wc a r t 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 硫回收原理 制硫装置的生产是根据克劳斯工艺原理【2 5 矧，即来自上游装置的酸性气进入制硫装 置的酸气燃烧炉，在一定配风量的情况下，酸性气中的h 2 s 燃烧生成s 0 2 和单质硫，其中 酸气燃烧炉的配风量按l ，3 的h 2 s 完全燃烧生成s 0 2 和其中的烃完全燃烧生成c 0 2 。 ( 1 ) h 2 s 和烃在高温下和0 2 发生燃烧反应如下： h 2 s + 三0 2 铮s 0 2 + h 2 0 + 5 1 9 2 k j ( 2 1 ) 1 2 h 2 s + s 0 2 营主s 2 + 2 h 2 0 一2 心 ( 2 2 ) 2 c 。h 2 n + 3 n 0 2 2 n c 0 2 + 2 l l h 2 0 ( 2 3 ) 高温条件下硫磺回收反应速度很快，一般可在1 s 内完成，h 2 s 转化率可达6 0 7 0 。 ( 2 ) h 2 s 和s 0 2 在催化剂的作用下低温反应生成单质硫，制硫装置来的硫磺尾气中 所含少量的c s 2 、c o s 、s 0 2 、s 在加氢催化剂的作用下，加氢或水解转化成h 2 s 。在装有 甲基二乙醇胺( m d e a ) 溶液的吸收塔中，其中的h 2 s 被胺液吸收，吸收h 2 s 后的m d e a 经 再生塔，h 2 s 被汽提出来，m d e a 溶液汽提出h 2 s 后继续循环使用。再生出的h 2 s 送入制 硫装置：硫磺尾气中的h 2 s 被m d e a 吸收后，吸收后净化气焚烧后排放。其反应机理如 下： 在加氢反应器中： s 0 2 + 3 h 2 寸h 2 s + 2 h 2 0 ( 2 4 ) s + h 2 一h 2 s ( 2 5 ) c s 2 + h2 0 寸h 2 s + c 0 2 ( 2 6 ) c o s + h 2 0 一h 2 s + c 0 2 ( 2 7 1 在h 2 s 吸收塔中： r 2 n c h 3 + h 2 s 一【r 2 n h c h 3 】h s ( 2 8 ) 在再生塔中： r 2 n h c h3 h s 呻r 2 n c h 3 + h 2 s ( 2 9 ) 低温催化反应是在转化器内的催化剂床层上进行，反应式如下： 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 2 h 2 s + s 0 2 三s x + 2 h 2 0 + 9 3 k j x ( 2 1 0 ) 由于该过程为放热反应，从理论上讲，反应温度越低，转化率越高。但是，反应温度低 于硫露点时，会有大量液态硫沉积在催化剂表面，使其失去活性，为此催化反应温度一般 控制在7 0 3 5 0 。随着硫回收技术水平的提高，催化反应也可在硫露点以下进行，如 c b a 法和m c r c 法等。高温热反应和一级催化反应的硫回收率一般在7 5 9 0 ，为 了提高硫回收率，工业上常采用增加转化器数量、转化器之间设置冷凝器分离液硫，以及 逐级降低催化反应温度等措施。 2 2 硫磺冷凝器相关参数 2 2 1 几何尺寸 图2 2 是典型的硫磺冷凝器简图，其中1 为汽包，2 为壳体，3 为管板，4 为换热管。 该硫磺冷凝器为固定管板式换热器，管板延长部分兼作法兰；换热管与管板连接型式为 强度焊加贴胀；管程与壳程数均为一，管程介质为过程气，其组成主要为：h 2 1 2 3 , , - 1 2 8 ，h 2 s3 7 1 扣1 7 5 ，s 0 22 3 8 0 o - 4 ) 8 8 ，n 25 7 8 3 - - - 6 0 0 4 ，壳程为除氧 水，进水温度为1 0 4 度；除氧水经过程气加热沸腾产生蒸汽，由汽包收集，过程气经由 三级冷凝器冷凝，其中的硫蒸汽冷凝为液体，由出口处的收集器除去。 本课题针对一级硫磺冷凝冷却器建立三维模型，模型的主要几何尺寸及材料参数 为： ( 1 ) 进出口管板 类型：管板兼作法兰的固定式管板； 材料：进出口端均为1 6 m m 尺寸：计算外径m 2 4 2 0 m m ，计算管板厚度7 4 m m ： ( 2 ) 壳程筒体 类型：蒸发空间壳体； 材料：1 6 m n r ： 尺寸：计算外径0 2 2 3 2 m m ，计算壁厚1 6 m m ： $ ) 换热管 类型：无缝钢管； 材料：2 0 8 钢； 尺寸：计算外径巾3 8 m m ，计算壁厚4 m m ，计算管束3 7 9 根； 大连理工大学硕士学位论文 4 圈2 2 硫磺冷凝器结构简图 f i g 2 2s k e t c hm a po f s u l f u rc o n d e n s e r 2 2 2 工艺参数 一级硫磺冷凝器设计换热面积为1 4 6 0 m 2 ，换热管共计1 3 8 2 根，管板直径达到 2 4 2 0 m m ，为了简化模型，这里取四分之一模型建模，计算换热管数为3 7 9 根。冷凝器 的工艺参数见表2 1 。 表2 1 硫磺冷凝器工艺参数 t a b2 ，1t e c h n i c a lp a r a m e t e ro f s u l f u rc o n d e n s e r 项目壳程管程 最高工作压力m p a 0 40 ，0 4 8 , - 4 ) 0 2 8 操作温度， 1 5 l3 5 0 1 6 0 设计压力m p a 0 60 2 5 设计温度 c 1 7 13 5 0 操作介质 除氧水及水蒸汽过程气 2 3a n s y s 有限元计算软件及结构单元说明 2 。3 1a n s y s 商业有限元软件简介 随着计算机的发展，大型有限元分析软件已经大量进入市场。a n s y s 是国际著名 的大型多功能通用有限元分析软件之一，由匹兹堡大学力学系教授j o l l i ls w a n s o n 博士 创立的a n s y s 公司所开发。该软件含有多种有限元分析的能力，是集结构、热、流体、 硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算 电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，具有多物理场耦合功能，允许在同一模 型上进行各种各样的耦合计算，如：热一结构耦合、磁一结构耦合以及电磁一流体一 热耦合，提供包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析的能力，可用于解决静态、 动态结构分析，稳态、瞬态热传导问题，模态一频率及屈曲问题的分析，静念磁学或随 时间变化的磁学分析，以及多种类型的祸合分析【2 7 1 。随着a n s y s 的发展与版本的不断 升级，该程序又添加了许多特殊的强大功能，这些功能使a n s y s 在解决各种领域的多 方面复杂分析中更为迅速有效。 从1 9 7 0 年开始投入商业化使用以来，a n s y s 软件己经广泛应用于航空航天、汽车、 核能、石油及钢铁工业，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 、 美国宇航局( n a s a ) 、中国铁路机车车辆工业总公司等近二十种专业技术协会认可的 标准分析软件，另外许多咨询公司及上百所的大学利用a n s y s 进行分析研究与教学。 a n s y s 以其强大的功能和广泛的应用已经为世界所承认，已经成为国际公认的工程仿 真及校验工具。早在1 9 9 5 年a n s y s 通过了我国全国压力容器标准化技术委员会的严格 考核，成为与我国压力容器分析设计标准j b 4 7 3 2 相适应的有限元分析设计软件。由于 分析质量可靠，在许多研究和产品开发中可采用这种有限元分析来代替许多过去必须的 中间试验，大大节约了资金，缩短了开发周期。本论文正是利用a n s y s 强大和准确的 求解功能，对硫磺冷凝器进行温度场和应力场耦合分析和研究，在分析中主要用了其中 的结构分析和热分析两个模块。 2 3 2 结构单元说明 ( 1 ) 实体单元s o l i d 7 0 与s o l i d 4 5 2 8 】 实体模型应力场计算单元采用3 d 、8 节点结构实体单元s o l i d l 4 5 ，该单元可进行 塑性、膨胀、蠕变、应力硬化、大变形和大应变分析，每个节点有3 个自由度( u x ，u y ， u z ) 。单元结构如图2 3 ( a ) 所示。单元需要定义材料常数有杨氏模量( e x ，e y ，e z ) 、 线膨胀系数( a l p x ) 、泊松比( n u x y ，n u y z ，n u x z ) 和密度( n e n s ) 等。可以输出节点 各方向的位移和节点应力、应变、主应力、主应变等。 与s o l i d 4 5 单元对应的热分析单元为s o l i d 7 0 ，如图2 3 ( b ) 。在实体模型温度场 计算中用来代替s o l i d 4 5 ，s o l i d 7 0 是3 d 、8 节点热实体单元，该单元可进行三维线 性、非线性、稳态、瞬态热分析，每个节点有1 个自由度( t e m p ) ，它的载荷可以是 温度或热流，结果是温度，并且分析结果可导入相应结构单元( 即s o l i d 4 5 ) 作为热应 力的载荷。单元需要定义材料常数有比热( c ) 、热传导系数( k x x ，k y y ，k z z ) 。 大连理工大学硕士学位论文 m 。嗣了7 0 k , 。p 。对妥。 图2 3 ( a