（化学工程专业论文）过热器结构设计可行性分析研究.pdf

摘要 本文针对齐鲁石化公司苯乙烯装置改造中乙苯过热器结构设计的可 行性进行了多方面的分析研究。利用f l u e n t 软件对过热器气体分布器 内的流场进行数值模拟；对过热器组整体的受载进行分析并进行强度校 核；利用有限元分析方法，借助压力容器分析系统v a s 20 对过热器的壳 体、管束及管板的应力分布进行分析；通过求解出过热器壳体换热管、 管板的壁温，进而计算其热应力及热变形，并校核组合应力强度。同时， 还对滑动管板在两种支撑结构下的变形进行计算。计算结果表明该过热 器管束内流体的流动分配比较均匀，换热器满足强度和稳定性要求，但 过热器滑动管板在水平支耳支撑下，壳体上的支耳与滑动管板上的滑块 在温度和压力的作用下由于挤压产生塑性变形、发生自粘，致使管束不 能在简体内自由滑动容易造成换热管拉断。 因此，过热器结构设计基本合理，但滑动管板的支撑方式有待改进。 关键词：过热器分布器流场有限元应力 f e a s i b i l i t ys t u d yo nd e s i g no f e t h y l b e n z e n es u p e r h e a t e r a b s t r a c t t h ef e a s i b i l i t yo fe 出y l b e n z e n es u p e r h e a t e ri sa n a l y z e da n ds t u d i e df r o m s e v e r a l a s p e c t s a sf o l l o w s t h ef l o wf i e l do f g a s d i s t r i b u t o ri nt h e s u p e r h e a t e rs i m u l a t e dn u m e r i c a l l yu s i n gf l u e n t s o f t w a r et h ef o r c eo nt h e w h o l ee q u i p m e n ti sa n a l y z e da n di n t e n s i t yi sc h e c k e d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n o fs h e l la n dt u b e si sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dw i t h t h eh e l po ft h ev a ss o f t w a r e2 0t h et e m p e r a t u r ea n dt h et h e r m a ls t r e s so f t h es h e l l t u b e sa n dt u b es h e e t si sc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wi s d i s t r i b u t e de q u a b l y i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ee x c h a n g e ra c c o r dw i t ht h e d e s i r e b u ta tt h eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s ，t h es u p p o r to nt h es h e l l l a i dh o r i z o n t a l l y ，w o u l da c tw i t ht h es l i d ep i e c ee a c ho t h e ra n dr e s u l tp l a s t i c a l d e f o r m a t i o n t u b eb u n d l ew i l ln o ts l i d ea tf r e e s t r u c t u r ed e s i g no ft h ee x c h a n g e ri sr e a s o n a b l eb a s i c a l l y , b u ts u p p o r to f t h es l i d et u b es h e e tn e e do p t i m i z e k e yw o r d s ：s u p e r h e a t e r ；d i s t r i b u t o r ；f l o wf i e l d ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s 独创。i l 生声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。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过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证邙 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝! 塑篁 1 沙叼年月i 二| 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 夕一；年 炒，年 ，1月 月 日 同 肇 第1 章前 第1 章前言 11 苯乙烯装置及改造概述 苯乙烯装簧以乙烯和苯为原料，采用分了筛催化剂，在液相条件下 进行烷基化反应牛成中间产品乙苯，精馏所得的乙苯在真空条件 、进行 俅化脱氧，经过精馏获得高纯度的产品苯乙烯。 齐鲁公司2 0 万吨年苯乙烯装置改造是陔公司7 2 万吨年乙烯坎术改 造项目之，f f 充分依托原有公用工程系统的基础上，对原6 万吨年苯 乙烯装置进行改扩建。该项目采用国内开发的烷基化新工艺取代原乙苯 单元落后的烃化工艺技术，解决原装置长期以来存在的设备腐蚀和环境 污染严重的问题，使得乙苯单元生产能力达到2 1 6 万吨。新上套1 4 jn i l e 年乙苯脱氢工段，采用高真空低釜温精馏工艺新上一套2 0 力吨年 的苯乙烯精馏工段，使装置苯乙烯生产能力由原来的6 力吨年提高到2 0 力吨，年。其原料乙烯( 纯度9 9 8 0 ，用量5 7 3 6 0 吨，年) 和苯( 纯度9 98 0 ， 用量1 6 0 6 3 2 吨年) 分别来自于7 2 万吨年乙烯裂解装置和乙烯芳烃抽提 装置。 装置改造完成后，年产聚合级苯乙烯单体( 纯度大于9 9 8 0 ) 2 0 万吨，中间产品为纯度大于9 9 8 0 的乙苯，副产品为甲苯、非芳、脱氢 尾气和焦油。 主要工艺技术应用： 乙苯单元采用国内开发的乙烯六段进料循环烃化工艺技术，该技术 比原装置采用的a l c l 3 工艺技术有明显的改进：装置内耗降低：解决了 设备腐蚀和环境污染严重的问题；设备与管道材质主要为碳钢，投资少。 苯乙烯单元采用国内开发的乙苯负压绝热脱氢制苯乙烯工艺技术。 1 2 乙苯蒸发及脱氢工艺 乙苯蒸发及脱氢工艺流程如图1 1 所示。 疆 蝤 雏 来自乙苯工段的原料乙苯与乙苯回收塔釜液泵p 一4 1 3 送来的循环乙 苯汇合后，再与来自2 1 0 k p a g 蒸汽管网的蒸汽同时进入乙苯蒸发器 e 3 0 4 壳程，并被管程2 1 0 k p a g 蒸汽间接加热后蒸发，获得约9 8 的乙 苯一水蒸汽混合物，然后进入乙苯过热器e 3 0 1 壳程，被管程的刚从第 二反应器r 一3 0 2 流出的温度为5 6 4 左右的反应气加热到5 0 0 左右，然 后进入第一反应器r 一3 0 1 底部混合器同来自蒸汽过热炉f 一3 0 1 b 室的过热 剑818 的主蒸汽混合，温度达到6 1 5 左右立即进入反应器r 3 0 l 催化 荆床层乙苯在负压绝热条件下进行脱氢反应。 匝掣蜒村h蛹墨岚撼糕精门二匝 “啪求璐k 卅h 银w 带一骓 i l 一乙米脱氢反应为吸热反应，第一反应器r 一3 0 1 流出物温度降至 5 3 0 。c 1 几二】，绛f ) j 了第一阶段脱氢反应的物流继而进入第+ 脱氧反应器 r _ 3 0 2 坝引耳热器之管程，同壳程的来自蒸汽j = ：热炉f 一3 0 1 a 窀n 勺 8 15c 过热熬汽换热，管程的反应物料温度升至6 】7 ，进入第二脱氯反 簟器的催化剂床层，实现第二阶段的负压绝热脱氢反应。 乙苯经历了分别在r 一30 l 和r 3 0 2 中完成的脱氢反应后，温度为5 6 4 c 的反应物从r 一3 0 2 排出，首先进入乙苯过热器e 一3 0 1 管稗，同壳理的 进料乙苯水蒸汽换热后进入低压废热锅炉e 3 0 2 的管程，加热壳程的锅 炉；爵水，在壳程产生2 1 0 k p a g 蒸汽，反应产物自身温度便降至 6 0 。c ， 井进入低低压废热锅炉e 一3 0 3 的管程。自e 一3 0 3 流出的温度已经降至1 2 0 的反应产物仍为气态，被导入下游的工艺凝液处理及尾气处理系统避 一步加工。 1 3 乙苯过热器 乙苯过热器与低压锅炉、低低压锅炉构成换热器组如图l ，2 所示， 乙苯过热器如图1 3 所示。 。 嘉跫髻髻，蠡器目学，啼亲魁将门一甓雒案鞲n-i匝 m l 从，- ( 华尔) 顾f 一论文 l 一卫 f 2 一。一 。- - 、_ - 4一 一- 二一 一 图1 3 乙苯过热器 乙苯过热器是乙苯脱氢单元一台重要设备，它与低压废热锅炉、低 低压废热锅炉采取焊接的办法共同组成组合式换热器组，以便最大限度 地降低阻力降，减少可能的泄露点。换热器直径3 米，组合后的总长度 为2 62 米。乙苯过热器长度8 1 4 米，金属总重6 1 2 0 0 k g 。乙苯过热器的 材质为：壳体0 c r l 8 n i 9 ，换热管1 c r l 8 n i 9 ，管板0 c r l 8 n i 9 i v 。前管箱( 高 温侧) 内部使用耐火材料内衬，前管板与换热管采用内孔对接焊，后管 板为浮动管板，管板与壳体之间采用填料函密封。乙苯过热器的作用是 为第一脱氢反应嚣进料和第二脱氢反应器的出料进行换热。 乙苯过热器主要操作，设计条件： 管程壳翟 介质：烃类( 苯乙烯、乙苯、甲苯等) 乙苯蒸汽 工作温度( ) ：5 6 3 6 3 4 0 99 85 5 0 0 设计温度( ) ：6 2 05 5 0 工作压力( m p a a ) ：0 0 4 50i 设计压力( m p a a ) ：0 2 5 f vo ，2 f v 程数： 1l 换热面积( m 2 ) ： 流量( k g h r ) ： 6 4 1 6 8 9 汽相物性参数 比誊i ( k j k g k ) 2 4 2 0 9 衔度( k g m 3 ) 0 1 6 9 1 l8 3 2 3 9 18 84 l6 1 3 6 i 4 2 5 6 岢热系数( w m k ) 0 0 9 1 1 粘度( c p ) o0 2 5 8 1 4 课题目的、技术路线 00 2 0 9 0 0 1 1 0 141 乙苯过热器使用中出现的问题 脒6 吨年苯乙烯装置过热器为进口，管程和壳程材质均为s a 3 8 7 ， j h 僻板( 固定管板) 与换热管为深孔剥接焊，后管板( 滑动端) 与壳体 川为填料函式密封。后管板前壳体为变径结构中1 7 3 5 巾1 7 0 0 。在 1 9 8 8 1 9 9 4 年运行期间出现管程泄露，泄露换热管达1 8 8 根之多，主要 是j “管板与管束之间焊接处断裂所。后管板变形，后管板下端向后移动 较少，而上部移动较大，上下差距达5 0 m m ，主要原因为壳体变径和沉 积物的影响。1 9 9 4 年更换第一台国产换热器。新设备前管板与换热管之 i i t j 采取深孔搭接焊结构，后管板结构形式不变。壳体材质仍为s a 3 8 7 ， 管束材质改为0 c r l 9 n i 9 。设备运行一段时f n j 后又出现泄露，主要为前管 板与管束焊接处出现向换热管内壁方向鼓包裂纹，从而引起泄露，_ 1 露 换热管有1 5 0 多根。国内其他苯乙烯装置乙苯换热器也多次出现类似的 泄露情况。 142 研究目的 乙苯过热器是乙苯脱氢单元一台重要设备，它与低压废热锅炉、低 低压废热锅炉采取焊接的办法共同组成组合式换热器组。在齐鲁公司苯 乙烯装置和全国其它苯乙烯装置上，乙苯过热器曾多次出现问题，并由 此引起装罨停车，造成了经济损失，对装置的安全运行形成了极大的威 胁。本次苯乙烯装置改造，生产规模增加很大，乙苯过热器的结构尺寸 增加很多，壳体内径达到3 0 0 0 r a m ，已经超出g b l 5 l 一1 9 9 9 管壳式换热 器的适用范围。乙苯过热器的结构设计是否合理，装置投产后能否安 全、长期、稳定运行，直接关系到装黄改造是否成功。因此，对乙苯过 热器结构进行计算与分析，为工程设计提供理论依据，从而优化设计， 饺得设备具有合理的结构，既满足工艺要求，又能长安稳运行，是十分 必要和有益的。 143 技术路线 首先，对过热器热力场进行分析，确定管程和壳程温度分句均匀度， “7 h 人学( 华尔) 颂l 论文第】章前， 为换热管、壳体及管板的温度计算提供依据；对整个换热器组进行受j 分柑i ，) f 结合温度的影响，计算换热器的组合应力和组合变形：采用有 限l 分析法划过热器固定管板和简体的应儿应变进行分析，校掺其必 嫂和刚度：刑过热器滑动管板在两种支撑l i 的变形进行汁算分析从而 刘整台设备结构的合理性进行评估。 第2 章过热器气体分布器内流场分析 2 1 前言 流体不均匀分配使换热器管束内流动传热小均匀，造成换热器总体 倾热效率降低，压降增犬。在两相流换热器中，这种情况更为) j u 9 0 ： 焦安军等人l lj 研究了物流分配的不均匀性对紧凑式换热器效能的影 l j 州。分析计算表明，出于物流分配的不均匀，可使换热器整体效能下降达 3 0 以上。导致物流分配不均匀的因素是多方面的，通常认为换热器的 安装制造、导流片及封头的结构设计、流动工况的变化等均可引起其内 部物流分配不均匀。在多相流动的隋况f ，物流分配的不均匀性显得更 为突出。由于存在以上问题，在设计换热器时，通常靠加大设计安全系 数和增大换热面积来予以弥补由于物流分配不均匀而引起的换热器效能 的下降。这意味着生产、运行成本的增加，造成了资源的浪费。 换热器封头( 气体分布器) 的主要用途是均匀分配流体流过换热器 管束，其设计原则为：考虑能承受的强度，结构简单，易于制造，成本 尽量低。常用封头形式有静态混合器和喷射式两种。西安交通大学的巫 江虹等人口j 提出过三种两相流板翅式换热器封头，水帘式，打孔管式和 孔扳式，并通过实验证明孔板式封头的两相分配性能最佳，其中，孔板 式封头和半圆封头如图2 1 和图2 2 所示。 图2 1 孔板式封头 1 油人。了j 华尔) 硕 _ 论文蔸2 章过热器气体分布器l j 、3 流场分析 图2 - 2 半圆封头 化工部化工机械研究院刘丰等人1 3 】设计了两套流体分配特性实验模 型，在平均速度为3 0 1 2 0 m s 的范围内进行了气体冷态动力模化试验。 通过改变分配器与均流器的组合，获得了气体压力、流量、流动特性、阻 力系数、扩大段角度、整流高度及速度分布值等。试验证明，采用环数适 当的均流器与气体流道，可使均匀性系数达9 5 以上，远远高于国外的 8 0 左右。筛选出最佳的组合，已用于急冷废热锅炉设计中。实际运转 表明分配器及管板处无结焦层，说明设计是合理的。 换热器等设备进口部分分布器的设计必须根据空气动力学原理，发 计可以有效分配和分布气体进入换热管的通道，避免产生分流和死区， 从而避免局部过热和结焦。但实际中要设计一个有效的、符合空气动力 学机理的分配器，使流速分布均匀，而不致气体产生分流和死区是比较 困难的。目前，计算流体动力学软件( c f d ) 正被广泛应用于各种设备和过 程的设计中，用c f d 方法进行模拟，从而可以预见流动情况，并可对结 构进行优化。本文的目的就是利用强大的流体计算软件f l u e n t 对一过 热器的入口气体分布器的流动进行数值模拟，分析气体的速度分布情况。 2 2 介质的流量及物性 实际过热器的管程介质为复杂的烃类及水蒸气等混合物，其总体参 数如下表表2 ，l 所示： “，j 从学( 华尔) 硕士论文第2 章过热器气体分布器i 流场分忻 表2 一l 管程介质的总体参数 黔 温度压力分子比热密度导热系数 粘度 。c k p a k j ( k g k ) k g m w ( m k ) c p 6 4 1 7 92 5 6 36 4 5 。0 2 61 3 72 。4 2 0 9 o 1 6 9 10 ，0 9 l l00 2 5 8 在数值模拟q j ，采用更简单的物质苯蒸汽作为模拟介质，其物性参 数与头际过热器管程介质类似，对流动影响不大。 23 物理模型 需要计算的过热器气体分布器为一锥体结构，其尺寸如图2 3 所示。 介质山入口进入，经过渐扩的流通空间，然后进入2 7 9 l 根换热管束。根 据物理模型的刺称性，采用二维模拟，这样截面上的管束为5 9 根。取封 头入口至换热管5 0 0 m m 处为计算区域。 利用g a m b i t 2 0 进行模型的网格划分。考虑到换热管为毋3 8 25 ， 尺寸与封头尺寸差别很大，所以在网格划分时将计算区域为两部分。封 头前一部分采用距离为4 0 r a m 的四边形网格，而管束入口前的区域及换 热管束部分采用1 0 r a m 的三角形网格，如图2 - 4 所示。这样，既可以保 证管束部分有足够的节点，又可以节省计算空间，减少计算量。这样， ，e 2 , 网格数目为2 7 1 4 6 个b i n a r y 节点。 l 湖人1 j ( 华尔) 坝n 论文第2 章过热器气体分mj 器山流场分1 _ 厅 图2 - 3 过热器封头示意图 1 图2 - 4 网格划分情况 一! t l 汕人学( 华尔j 硕士论文 第2 章过热器气体分布器内流场分机 其中，入口，管束部分的网格如图2 - 5 所示。 图2 - 5 局部网格划分 1 2 第2 章过热器冲# 分和器内流场分析 2 4 控制方程和计算方法 求解嚣采用2 维稳态分散模型，标准的k f 双方程湍流模型( 模 型中1 常量分剐为c m u = o 0 9 ，c l e p s i l o n = l4 4 ，c 2 e p s i t o n = l9 2 ，t k ep r a n d t l n u m b e r = 1 ) ，标准壁面函数。不考虑传热，辐射和组分扩散。操作压力 1 4 6 3 2 5 p a ， 边界条件：入口采用速度边界，采用分量形式给出，x 速度6 0 m s ， y 速度为0 。水利半径为1 0 0 0 n m a ，湍流强度定义为1 0 。山口设置为质 量流出边界，流量系数加权为1 ，其他为固壁边界。 实际计算用的材料参数如下表2 2 。离散化方法如表2 - 3 所示。 表2 - 2 计算中使用的介质物性( b e n z e n e - v a p o r ) “i 人学( 1 # _ 、) 颂十论文第2 章过热器气体分自i 器内流场分析 表2 3离散化方法( d i s c r e t i z a t i o ns c h e m e ) v a r i a b l e 变鼙s c h e m e 方法 p r e s s u r e ) ：i , 力s t a n d a r d ! p r e s s u r e 。v e l o c i t y c o u p l i n g s i m p l e 压力速度偶合 m o m e n t u m ? c j 量f i r s to r d e ru p w i n d 一介 迎风格式 t u r b u l e n c ek i n e t i c e n e r g y f i r s to r d e ru p w i n d 湍动能 t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t e f i r s to r d e ru p w i n d 湍流扩散率 25 模拟结果 利用f l u e n t 6 0 对上述模型计算，处理数据后可得到分布器内的流 动规律。其中，压力分布如图2 - 6 所示，其等值线为马鞍型，内部压力 较高，两端压力低。 图2 - 6 压力等值线 速度分布如图2 7 和图2 8 所示，由入口开始逐渐降低，到达管束入 1 4 第2 章过热器气体分布器山流场分析 l 川候，分布已经比较均匀。可以明显看到，在分布器的周边存在一个 小的死区，其中的流体存在一个弱回流。这样可能导致结焦。 图2 7 分布器全局的速度等值线 图2 8 分布器全局速度分布图 札汕人学( 华尔) 坝十论文第2 章过热器气体分如器内流场分忻 图2 - 9 管柬入口部分的局部速度等值线 图2 一l o 给出了入口和出口的速度矢量图，可以看出，如果入口速度 为6 0 m s ，出口速度分布比较均匀，且管束入口速度大约在4 0 m s 左右。 硕士论文 第2 章过热器气体分布器内流场分析 图2 - 1 0 出口和入口的速度矢量图 图2 - 1 1 给出了入口处流体微粒的流线图，可以看出入口处粒子的运 动轨迹。 图2 - f i7 流线图( 哜质流动轨迹) - 1 7 第2 章过热器气体分】器内流场分h i 圈2 ，1 2 流线轨迹局部视图 2 6 结论 通过对分布器流场进行数值模拟，可初步得到以下结论 虽然压力分布不均匀，但流体的流动分配比较均匀，反映在管束入 口速度的均匀性上。 虽然分布器锥体的侧面存在一个小的死区，但是它对整体流动换热 影响不大。 机7 1 1 | 人。节( 华尔) 硕t 论文第3 章过热器粘体受载分析计算 第3 章过热器整体受载分析与计算 当设备尺寸较小时，在其支撑处的附加载荷相对较小，对设备整体应 力和变形的影响不大，在： 程设计上一般可予以忽略。而当容器尺寸较大、 受外载较为复杂时，则无论是卧置还是立置设备，均应考虑设备臼重、风 载、地震载荷以及其它外载对设备整体应力和变形的影响；特别是超标发 备，必须依据其可能的失效方式选择相应的设计准则和理论，对所设计的 设备在各种载荷作用下进行分析计算，以保证设备的安全性。 乙苯过热器与低压锅炉、低低压锅炉构成的换热器组属超标卧式容器， c 内径3 0 0 0 m m ，超出g b l 5 0 1 9 9 9 钢制管壳式换热器规定) ，换热器组 长度为2 6 2 0 0 m m ，如果利用双鞍座支撑，会使得简体上产生很大的弯曲应 力，故采用四个支座支撑，一个固定三个滑动，该支撑方式可有效降低简 体的弯曲变形和应力，但其变形程度和应力水平必须进行分析计算予以确 认。 3 1 换热器组受载分析 3 1 1 换热器组重量计算 换热器组设备总重：m 1 = 6 1 2 0 0 + 7 0 0 2 0 + 6 1 2 4 0 = 1 9 2 4 6 0 妇 物料重：m 2 = 兰3 0 0 02 2 6 2 0 0 1 0 9 1 0 0 0 ：1 8 5 1 0 3 幻 4 。 总重为： m = m l + m 2 = 1 9 2 4 6 0 + 1 8 5 1 0 3 = 2 7 7 5 6 3 k g f 2 m 9 2 2 7 7 5 6 3 x 9 8 2 3 7 0 0 1 1 7 4 n 换热器总长为：1 = 2 6 2 0 0 m m 均布力： 。q = f 2 6 2 0 0 = 1 4 1 2 3 n m m f 3 - 1 1 3 1 2 简体简化模型 简体由四支座支撑，受载情况如图3 一l 所示： 汕人。( 华尔) 硕十论文 第3 章过热器牲体受载分 i 1 ，订算 q 曰3 一l 简体受力幽 为二次静不定问题。把中间两支座看成多余约束，求得约束反力后u j 转换成静定问题求解。 3 2 支反力的求解。1 32 1 约束反力f 力作用下的挠度方程为： 约束反力作用下的受力图如图3 2 所示 i f 2 1n 图3 - 2 简化受力图 u ：f b x ( f ，- - x 2 6 z ) 6 1 e l 、 u = 掣6 k a2 ) i e f 、 。 3 22f 2 下支座2 、3 处的挠度 o 茎一d 口x ， ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) l = 1 1 0 4 3 m m ，a = 5 8 8 0 m m ，b = l l l 6 3 m m 将对应数值代入式( 3 2 ) 得： u i ：尘黑堕业0 7 0 4 3 z _ 5 8 时一1 1 1 6 3 z)61 7 0 4 3 e l ， = 84 3 x 1 0 1 0 f 2 卮i 将相应数值代入式( 3 3 ) 得： u ：j ! 二：! ? ? i 幽。( 2 。1 7 0 4 3 x l l 5 2 7 1 1 5 2 7z 5 8 8 0 z)67 0 4 3 e 11 、 2 8 4 x 1 0 t l 旦 e 1 2 0 i jt 一 ， ，1 j r。 i 九| | 人- j ：j ( 华尔j 硕十论文 第3 章过热器整体受城，r 析，计霄 32 3f 3 作用下支座2 、3 处的挠度 ，= 17 0 4 3 m m ，= 1 1 5 2 7 m m ，b = 5 5 1 6 m n ， 将刈应数值代入式( 3 2 ) 得： 。：；墨：型! ! ! ! 塑。( 1 7 0 4 3 z 一5 8 8 0 ：一5 5 1 6 1 1 ：71 6 。1 0 i 。蔓 。 6 1 7 0 4 3 e 1 e ， 将桐应数值代入式( 3 3 ) 得： u ：墨竺! ! ! ! ! 塑。( 1 7 0 4 3 ：一1 1 5 2 7 ，一5 5 1 6z 1 ：7 9 l 。1 0 。蔓 ： 6 x 1 7 0 4 3 e 1 、j e i 324 支座2 、3 处的挠度 u 2 = u ：+ u ；= ( 8 4 3 1 0 ”e + 7 1 6 1 0 ”f o i e l u 3 = u ；+ u ；= ( 2 8 4 1 0 ”+ 7 9 1 1 0 ”) 日 3 2 5 单纯均布力作用下支座2 、3 处的挠度 省去支座2 、3 ，求仅在支座l 、4 支撑下支座1 、4 的支撑反力，可将 其简化为简支梁( 如图3 3 所示) 。 q 图3 3 简支梁受力图 分别对支座1 、4 所在的点取距，可求得支座4 、l 的支撑反力 ：超窖 e ：迁掌 = 1 2 7 7 1 q = 1 3 4 3 8 q 均布力q 在简支梁上各处产生的弯矩为： m = 一三q x 2 0 j 4 8 0 0 2 m = 1 3 4 3 8 q ( x 一4 8 0 0 ) 一= 1 日x 2 4 8 0 0 _ x 2 1 8 4 3 2 i - 一i ，一 f f 汕人一产( 华自i ) 硕十论文 筇3 章过热器舡体受载分忻与“掉 m ：= 1q x 一2 1 8 4 3 ) 2 2 1 8 4 3xs2 6 2 0 0 2 髟3 。，。i y 与弯矩之1 6 j 的关系为： d2 um d x z e i 在4 8 0 0 x 2 1 8 4 3 时的挠度方程为： u = 击( 2 2 3 卯l ，：s ，z 咖一去4 所以，在纯均布力作用下支座2 、3 处的挠度为： 旷击( 2 2 3 9 7 9 1 0 6 8 护- 3 2 2 5 1 2 0 0 6 8 护一面1 g f 3 4 1 ( 3 - 5 ) l 。6 8 伊 ：1 4 9 2 3 7 1 0 1 5 旦 e = 去, 2 2 3 9 7 q 1 s ，z ，l ，z z s z 。州s ，z ，2 一面1 州a ，! 4 ：一11 1 9 2 6 2 1 0 1 5 旦 e 326 求解支反力 在均杯力和多余约束反力f 2 、f s 共同作用下支座2 、3 处的总挠度均为 零。所以： 0 2 t 自= ( 8 4 3 x 1 0 ”f 2 + 7 1 6 1 0 ”f s ) e 1 “4 9 2 3 7 1 0 ”茜2 0 _ ( 2 8 4 1 0 “e + 7 9 1 1 0 ”f s ) e i “1 1 9 2 6 2 1 0 ”茜= o 从而解得多余约束反力f 2 、e 分别为： = 3 1 9 6 5 q ：= 4 9 7 1 5 q 对支座4 所在的点取距，可求得支座反力f 为 2 2 第3 章过热器檠体受载分析，汁算 丁8 3 42 q 4 3 ：6 6 2 q - 3 1 9 6 5 q x 5 5 1 6 - 4 9 1 7 ，q x l l l 6 3 志 9 17 15 q f l = 2 6 2 0 0 q f l f 2 一f 3 = 8 9 1 4 8 q 33 简体的实际弯矩方程及弯矩图 3 31 弯矩方程 m = - 昙2 m = 9 1 7 1 5 q - g 堋o o ) 一x 2 0 x 4 8 0 0 4 8 0 0 x 1 0 6 8 0 m = 4 9 1 7 2 q ( x 一1 0 6 8 0 ) + 9 1 7 1 5 q ( x 一4 8 0 0 ) 当g x 2 1 0 6 8 0 x s l 6 3 2 7 l ，= 3 1 9 6 5 q x 一1 6 3 2 7 ) + 4 9 1 7 2 q ( x 一1 0 6 8 0 ) + 9 1 7 1 5 q ( x 一4 8 0 0 ) 一= 1g x 1 6 3 2 7 x 2 1 8 4 3 们= 一去g - ( 2 6 2 0 0 一x ) 2 2 1 8 4 3 x 2 6 2 0 0 3 32 弯矩图 由以上各方程作弯矩图如图3 - 4 所示，并求出最大值 图3 - 4 换热器整体弯矩图 3 4 简体的弯曲变形 在4 8 0 0 x 1 0 6 8 0 段，由式( 3 4 ) 知其弯曲变形的挠度方程为 - 2 3 一一一 f l 油人学( 华尔) 硕士沦文 第3 章过热器帮体受载分析，汁算 肛) = 一面1 。口x4 _ i 6x 9 1 7 1 5 q x 3 - 2 4 0 0 9 17 1 5 q x2 + q + d 山支座处f l , j 挠度为0 ，即：x = 4 8 0 0 和x = 1 0 6 8 0 时u = 0 。 解得常数c 、d 分别为： c = 1 3 6 2 1 0 “qd = 2 6 3 6 x 1 0 ，吣) 二一4 x qx 4 + x 9 1 7 i 却x 3 - 2 4 0 阻9 1 7 l 却x 2 + 1 3 6 1 d i x - 2 6 3 缸1 d 1 叮 当x = 8 1 4 0 r a m 时，筒体的挠度为： e l u = 2 8 1 1 0 l3 q 己知：q = ，2 6 2 0 0 = 1 4 1 2 3 n m m ，e = 1 8 7 0 0 0 m p a ，：型：4 二垡：j ： 6 4 u = 0 1 2 3 l m m 删眦4 ( 1 - ( 掰 17 2 4 i 0 m m 4 由e x y ”= m 并求积分得 第一段( 0 x 4 8 0 0 ) ： 毋。= 一i 1 3 + c 毋一去秽4 + c ”q 在= 4 8 0 0 m m 时，y = 0 ，y 第一段= y 第：段，根据两方程求得 c 1 = 3 4 2 x 1 0 ”d l = 一1 6 4 x 1 0 1 7 则挠曲线方程为 = ( - 5 8 8 x + 3 4 2 1 0 u x - 1 6 4 x 1 0 1 7 ) = 一1 8 2 1 0 - 1 6 x 4 + 1 0 6 i 0 一x 一5 0 9 第二段( 4 8 0 0 x 1 0 6 8 0 ) ： 2 4 二型尘篡焉熹菩乎襄兰三竺兰二一!兰璺翌堂竺竺茎些竺!，。j j 印 l l 7 。j 。“9 。+ ；。9 17 1 5 。z j 2 4 。9 t z s ，一+ f ，3 s 2 。，。“。一2 。，。，。，- 1 8 3 一第3 # ；( i f j r r 4 d 6 ，7 0 x ，1 0 - f 2 x 1 0 6 8 3 9 6 4 f 。一8 x 3 + 42 2 i 。x i j5一“。”j0 粥二毁( 工1 6 3 2 7 ) ： “、卜11 ， 6 n 一3 汐6 5 9 专啪3 2 啪9 1 7 2 - 1 0 6 8 0 c ) + 9 1 7 1 5 q ( _ - 8 。蚺矾， 2 - g 弘3 + 8 6 4 2 ，9 秘2 ! 。4 9 1 0 8 群+ g i 【) 缈= 一击私4 十z 8 8 。孵3 7 f 4 5 。，。，私z + g 。+ d ( 芏_ x = 1 0 6 8 0 r a m l i , q , y 2 n x - - - 1 6 3 2 7 m m , 少：。，根据两方程球得 c 3 。l 1 8 9 l 1 0 “ 岛：q 8 8 7 2 x 妒 则挠曲线方程为 ，2 万( 硼z 4 + 4 0 6 7 4 2 慨叭2 邶9 1 l 忆4 - 8 8 7 2 x 2 笸- 1 加8 2 ；。1 ：) 。6 j 4 + i 2 5 x z 。1 l x j ，。x ，。一，卫z + 。，。一，。，。， 第四段( 1 6 3 2 7 _ f - 2 1 8 4 3 ) “。”1 胁= 1 3 + 4 5 1 5 叭2 枷7 1 e 胁：一面1 + j 5 0 5 2 一7 4 3 5 。岫。z + c j 蝌。 仕。2 1 6 3 2 7 用牌时r l ，2 0 x = 2 1 8 4 3 m m , y ：。，根据两方程求得 c 4 = 3 弼9 1 0 ” 仍：一3 。j 6 0 x 胪 则挠曲线方程为 y 2 击- s s 。泌，吲吐川。 ”，州驴 第1 = t 段- 18 ( 2 2 x i 8 1 0 4 3 - 1 6 s x z 4 + 2 6 6 5 2 9 。4 。x ) 1 ：。一”x 3 3 2 5 l 。一1 t 、! + 。j 。2 5 苴一9 7 2 5 第3 章热器帑休受载分析i j 张 叫。? ：一。| ( 68 6 4 4 n o ax 。 2 。、 | 。一三v 4 3 2 2 1 0 8 x 2 2 6 2 0 0 x ，十；t ：j + c ； 8 7 3 33 3 z3 + 击x4 ) “s + d s 存x = 2 1 8 4 3 m m 时，y = 0 ，y 洲段= y # 。q 段，根据两方程求得 d ，= 一1 2 8 9 7 1 0 1 8 则挠曲线方程为 l 一= 一18 2 5 1 0 一”x4 + i 9 2 3 1 0 1 l x3 75 1 1 0 7 x2 + o0 1 1 0 3 x 一4 0 根据各段挠曲线方程作换热器整体变形图如图3 5 所示： 图3 - 5 换热器整体弯曲变形图 35 应力计算与校核 351 轴向应力的计算 ( i ) 弯矩引起简体上的轴向应力 由弯距图知：m 。= 3 0 9 7 0 1 3 q = 4 3 7 1 0 8 n m m m 。= 一3 1 0 2 7 8 0 q = 4 3 8 1 0 8 n m m 最大拉应力 旷去 ：塑! ! 尘：3 8 6 脚。 3 1 4 1 5 0 0 。x 1 6 罐火压应力 2 6 ( 3 6 ) 第3 章过热器整体受拔分析j 汁钟 43 8 1 0 8 棚! s 31 4 1 5 0 0 2 1 6 3 8 7 m p “ ( 2 ) | 内压引起的轴向应力 拉应加= 豢= 雩警划s p ， 352 强度校核 f 1 ) 最大弯矩处的简体截面的应力： 工作状态时： 组合最大拉应力 0 - 2 0 24 - 盯d ：3 8 6 + 1 3 8 ：1 7 6 6 m p a b ，：3 6 3 脚d ( 3 _ 8 ) 组合最大匝应力 盯，= 3 8 7 m a x ( 0 - t , l 丁】。，) = 3 6 3 m p a 安全。 ( 2 ) 支座截面处简体的切向应力 有加强圈的简体上的切向剪切应力 f ：vs i n q f 3 9 1 当口：三时，f 有最大值。 2 在第一个支座处有最大剪切力 。、= e q l i = 1 4 1 2 3 9 1 7 1 5 1 4 1 2 3 4 8 0 0 = 6 1 7 1 0 5 、：要：0 裟卫生：7 2 8 胁【】姐8 时：2 9 0 4 脚口 “ 柚，s 。 3 1 4 1 5 0 0 1 8 安全。 2 7 第4 章局部绀佃的n ，l 分机 第4 章局部结构的有限元分析 为精确分析过热器筒体、管束及阎定管板内的应力分枷，考证换热器 纠 斛自发h 的可靠性，采用经压容委认可的有限元分析程序x , j 换热器绷局 州迸行1 r 应力变形计算。 41 二维热弹塑性有限元分析程序 411 程序设计用基本理论 当应力超过屈服极限以后，应力、应变曲线呈非线性，即应力应变不 再是一一对应的关系。应力状态不但依赖于当时的应变状态，还与加载过 程有关。传统的塑性有全量理论和增量理论两种。 全量理论的总应力于总应变为基础，直接建立用全量形式表示的于加 载路径无关的本构方程。这种方程数学上的推理、计算比较简单，便于实 际应用。但是必须保证物体内部点处于同一加载和谢载过程。 增量理论则以应力和应变增量形式为基础，建立它们之间的本构方程。 通过逐步积累求得总应力和总应变。其最大特点是不受加载方式的限制。 即可使用于简单加载也可用于复杂加载。若采用数值计算方法，数学上 并无困难。 受热物体由于各处温度不一致，且达到稳定温度场的时间也不相同。 即非简单加载。加之材料的机械性能随温度而变化，因而不满足使用全量 理论的条件。故本程序设计以增量理论为基础。 41 2 程序设计基本公式 ( 1 ) 弹性区机械性能与温度有关的应力应变关系( 本构方程) 设： ( d c ) = 出。 + ( 如r ( 4 1 ) 式中： d c 。) 一弹性应变增量 如， _ 一热膨胀增量 2 r 人( 华尔) 顺寸f = 龟文 第4 章7 ；1 j 部结构f n 限儿分忻 “达剑柴应力状态 口) ，因为弹性矩阵陋温度变化，所以柏 ： 叫 如j + 驾卯、 d 明理： 地却肌。鬻册 ( 4 2 ) = c g o + 鲁r 埘砷 d t ( 4 - - 3 ) 由三式联结可得 d o - ) = 【d 】f d s ) _ - 【c d t 式中： d 】= 【d 。 【c ：i d a 口) + 旦掣 a ( 2 ) 塑性区内机械性能与温度有关的本构方程 设材料的屈服函数为 盯，仃， 其值在温度t 应变硬化指数k 的条 件下达至h 厶( 盯；，丁，量) ，材料开始屈服。 微分形式的屈服条件为：矽= 矾 或 善泓盯 = ( 篆) 筹) 峨 + 筹卵 全应变增量为：( 如) = d e 。 + d e e ) + 如，) 式c p ： 如。 为塑性应变增量。根据流动法则，其值为 根据( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 1 i , j 4 ：构方程： ( 4 4 ) ( 4 5 ) 硝兰) r d o 。 及流动法则可i 殳塑 _ i j 人一，l 华尔) 硕十论文 第4 章局部鲜t i | 5 j 的自限儿分惭 扛t 。) = - 。，j 协s 一舻。，扫7 1 ( 46 ) d 。槲斟，s s ： 垂) 阻】 羔 7 + 要 筹 1 羔 蚪 。，h 掣卜槲嘉，s ( 3 ) 单刚及有效节点力形成： 应用虚功原理： 7 ”剥。= f ，7 衙( 仃 + w d o - 一【c 弦矽矿 在r 时物体处于q z g , 状态。则有： = b r , t i d y 则：妒 。= f ，研i w l d d 一 d a r d v 改写为：陋 4 + 鼢 。= k 】。 d 占 ( 4 - 7 ) 式中：8