（动力机械及工程专业论文）油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 油浆蒸汽发生器是石化企业的重要设备之一，其主要功能是使用低温介质水降低高 温油浆的温度。对油浆蒸汽发生器进行温度场和应力场的耦合分析，有助于改善换热器 的结构和操作工艺；调查换热器的密封情况，对节约材料和能源、实现安全连续生产具 有重要作用。 油浆蒸汽发生器属于管板式换热器，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。本文对油 浆蒸汽发生器的管板换热管和法兰一垫片一螺栓分别进行了热应力耦合场分析计算，并 对换热器密封性能进行研究。 具体而言，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。采用s o l i d 7 0 热分析单元，对热影响区内的管板、换热管进行对流换热条件下的稳态温度场分析，应 力场采用s o l i d 4 5 实体单元，施加压力载荷，同时加载温度场的计算结果作为载荷得 到管板换热管的应力场分析计算结果；采用s o l i d 7 0 热分析单元，对法兰一垫片一螺 栓进行对流换热条件下的稳态温度场分析，应力场采用s o l i d 4 5 实体单元，同时引入 接触目标面分析单元t a r g e l 7 0 ，接触接触面分析单元c o n t a l 7 4 和预紧力单元 p r e s t l 7 9 ，旌加预紧力、压力载荷和温度场计算结果，计算得到法兰一垫片一螺栓的 应力场分析计算结果。最后对法兰密封性能进行研究，提出螺栓拆卸困难的解决方案。 关键词：油浆蒸汽发生器；温度场；应力场；密封性能 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 t h ea 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 n o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e r a b s t r a c t o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si nc h e m i c a li n d u s t r y i t sf u n c t i o ni st ol o w e rt h et e m p e r a t u r eo f o i ls l u r r yb yu s i n gc o o l i n gw a t e r i ti sn e c e s s a r ya n d s i g n i f i c a n tf o r t h ee c o n o m i ca n ds e c u r i t yt oa n a l y s i sb o t ht e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f t h eo i ls l u r r yh e a te x c h a n g e r i ti sa l s ov e r yi m p o r t a n tt oa n a l y s i sf o rs e a l e du s e di no i ls l u r r y h e a te x c h a n g e r ，f o rt h es a k eo fs a v i n gm a t e r i a l sa n de n e r g y o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e rb e l o n g st ot u b e s h e e th e a te x c h a n g e r d u et oi t sc o m p l e x s t r u c t u r ea n dl a r g eg e o m e t r ys i z e ，i ti st o oc o m p l i c a t e dt oc a l c u l a t eo np cb yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n t so ft h ew h o l ee q u i p m e n tm o d e l s ot u b e s h e e t - p i p e s t e m p e r a t u r es t r e s sf i e l da n d f l a n g e - g a s k e t b o l t s t e m p e r a t u r es t r e s sf i e l da r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d , a n ds e a lf u n c t i o no f t h ee x c h a n g e ri sa l s or e s e a r c h e d s p e c i f i c a l l ys p e a k i n g ，u s e s u i t a b l es t r e s s a n a l y s i se l e m e n t s a n dt h e r m a la n a l y s i s e l e m e n t sa p p l i e db yt h ea n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h es u i t a b l ef e am o d e lf o rc a l c u l a t i n g o l lp c u s et h e r m a la n a l y s i se l e m e n ts o l i d7 0 ，l o a dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， c a l c u l a t ea n do b t a i nt h et e m p e r a t u r ef i e l do f t u b e s h e e t - p i p e so f o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e r ，t h e n u s es t r e s sa n a l y s i se l e m e n ts o l i d4 5 ，b r i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r er e s u l t st ob e a ro na r e a s o ft u b e s h e e ta n dp i p e s ，c a l c u l a t ea n do b t a i nt h es t r e s sf i e l do ft u b e s h e e t p i p e so fo i ls l u r r y h e a te x c h a n g e r ；u s et h e r m a la n a l y s i se l e m e n ts o l i d7 0 1 0 a dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ，c a l c u l a t ea n do b t a i nt h et e m p e r a t u r ef i e l do ff l a n g e g a s k e t - b o l t so fo i ls l u r r yh e a t e x c h a n g e r ，t h e nu s es t r e s sa n a l y s i se l e m e n ts o l i d4 5 ，c o n t a c ta n a l y s i se l e m e n tt a r g e l 7 0 c o n t a l 7 4a n dp r e - t i g h t e n e de l e m e n tp r e t s l 7 9 b r i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r er e s u l t st o b e a ro na r e a so f f l a n g e g a s k e t - b o l t s , c a l c u l a t ea n do b t a i nt h es t r e s sf i e l do f f l a n g e g a s k e t b o l t s o f o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e r l a s t l yt h es e a lf u n c t i o no f t h ee x c h a n g e rw i l lb er e s e a r c h e d k e yw o r d s ：o i ls l u r r yh e a te x c h a n g 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 ；s e a lf u n c t i o n i i 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 对本研究所做俐均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：璎煎日期： 塑：! 呈! 1 2 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 盟缝 独年硷月j 生日 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。 受中国石化大连分公司委托，利用a n s y s 有限元分析软件对该厂的油浆蒸汽发生 器进行在役状态下的温度场和应力场数值模拟，进而得到精确的计算结果，以指导生产 实践；同时，计算得出的垫片受力情况有助于换热器密封性能以及螺栓组拆卸情况的研 究。 1 2 论文选题的目的与意义 换热器，又称为热交换器，是为了排除多余热量或补足所需的不足热量而实现化工 工业生产中物料之间热量传递过程的一种工艺设备。换热器是用来完成各种不同传热过 程的热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、石油、轻工、食品、动力、以及制冷等 行业中。 在石油化工等行业生产过程中，绝大多数化学反应或者油料运输都伴随有热量的变 化。为了保证这些过程能够连续的进行，就必须排除多余的热量或者补足所需的热量： 并且为了最大限度的利用和节约能源，工艺过程中的废热或者余热也需要回收利用；有 时为了方便储存和运输，反应过程中得到的产品也必须进行冷却。总之，在石油化工以 及热能动力的工艺过程中都有加热、冷却或者冷凝的过程。换热器不仅可以完成热量的 传递，也实现了剩余热量的回收和利用，节约了能源。因此，换热器在石油和化工生产 中的应用尤为重要。据统计，换热器在石油、化工建厂总投资中约占2 0 、在全厂化工 设备总重量中约占4 0 、台数占工艺设备总台数的2 5 7 0 、检修工作量可达总检修工 作量的6 0 - - 7 0 。 油浆蒸汽发生器作为一种催化裂化装置中余热锅炉系统的主要能量交换设备，对化 工生产和能源节约具有重要的意义。油浆蒸汽发生器，顾名思义，其主要功能是利用管 程内高温油浆的热量加热壳程内的低温介质水，以此降低上游油浆的温度从而为达到下 一道工序对油浆的温度要求，同时低温介质经过换热器吸收了管程内高温油浆的剩余热 量，实现了热量的回收和再利用、节约了能源。对油浆蒸汽发生器进行温度场和应力场 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 的全面分析，有助于改善油浆蒸汽发生器的结构和操作工艺，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。 另外，由于油浆蒸汽发生器在工作过程中承受高温高压，因此要求法兰螺栓具有可 靠的密封性和足够的强度。垫片密封结构一旦发生泄漏，不仅污染环境，浪费资源和能 源，甚至可能发展为灾难性事故。因此，保证螺栓垫片法兰密封系统的强度、密封性 能才能保证换热设备的正常运行。 大连石油化工公司的四台油浆蒸汽发生器近期频繁泄漏，为安全生产带来了极大的 隐患，同时在检维修方面也遇到了螺栓的拆卸困难等一系列的问题，给设备的运行与维 护都带来了极大的困难，目前仍无有效的解决措施，因此，从螺栓的受力状态出发，研 究设备在运行中泄漏及螺栓拆卸困难的原因，进而提出有效的维修手段具有重要的现实 意义。 1 3 相关领域的研究历史和现状 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备，如加热或冷却用的加热器或冷却器， 蒸馏器或冷凝用的蒸馏釜、重沸器或冷凝器、蒸发设备中的加热室等。随着炼油、化学 工业的迅速发展，换热器的种类繁多，新结构不断出现。 换热器主要有乎板式换热器和管壳式换热器( 或称列管式换热器) 两种。平板式换 热器等高效换热设备具有体积小，重量轻等优点，但也有流动阻力大，制造、检修困难 等缺点：管壳式换热器虽然在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及高效换热设备， 但是它具有结构坚固、承受高温高压的适应性大、制造工艺成熟、材料范围广的优点， 在长年操作的过程中积累了丰富的经验。因此，目前管壳式换热器仍然是石油化工生产 中的主要设备，在各种换热器中占据主导地位i l l 。 油浆蒸汽发生器属于管壳式换热器，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， 改善传热。 管壳式换热器的种类很多，根据结构特点的不同可以分为刚性结构和具有温差补偿 结构两大类。具体结构见图1 1 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 管壳式换热器的类型 f i g 1 1t y p e so f t u b u l a rh e a te x c h a n g e r 刚性结构的固定管壳式换热器的结构如图1 1 ，a 所示，其换热管束连接在管板上， 管板分别焊在外壳的两端，因此管子、管板和外壳的连接都是刚性的。当管壁与壳壁温 度相差较大时，必须采用温度补偿装簧。采用具有温差补偿的管壳式换热器，如具有膨 胀节的固定管扳式、浮头式、填充式以及u 形管式等。见图i 1 ，b 、c 、d 、e 。油浆蒸汽 发生器采用的是浮头式管壳式换热器。 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。管板用于排布换热管， 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，但当管扳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 导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，本文对油浆蒸汽发生器管 板和换热管的计算分析也是围绕管板及换热管的温度场和应力场的计算展开的。 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 在油浆换热器密封失效分析方面，单纯的压力或者介质的因素对泄漏的影响并不是 最重要的，只有和温度联合作用时问题才显得严重。油浆换热器由于操作温度高，介质 粘度小，渗透性大，易促成渗漏；法兰、螺栓、垫片可能发生蠕变和应力松弛，致使压 紧面松弛，密封压力下降而导致泄漏；法兰内外温度梯度的存在，密封组合各部件的温 度不同，引发热膨胀不均匀，特别是在升、降温操作过程中问题更为突出。另外为了提 高密封性能，过大提高预紧力会造成螺栓组变形，影响了设备的拆卸性能。因此，研究 油浆蒸汽发生器的密封性能也有重要的理论意义和实践意义。 目前常用的解决密封性能的方法有采用高回弹垫片、改善螺栓组以及更换管程侧法 兰等方法。 1 4 油浆蒸汽发生器研究目标和主要研究内容 1 4 1 研究目标 通过对油浆蒸汽发生器管板和换热管三维有限元模型的热应力耦合场数值模拟，掌 握实际生产过程中管板和换热管的温度梯度分布，研究管板工作过程中的受力分布和变 形情况。 通过对整体设备进行热应力耦合场工况下螺栓法兰连接密封处的受力进行数值模 拟，研究螺栓法兰连接密封处的受载特性及密封部件材质的力学性能；对螺栓的预紧力 进行计算，研究螺栓垫片法兰密封系统的受力情况：通过力学分析找出泄漏原因，并 提出有效的维修手段及解决措施。 1 4 2 主要研究内容 油浆蒸汽发生器的结构复杂，体积庞大，尽管在理论上可以进行整体模型的有限元 模拟分析，但是整体模型的有限单元网格数过于庞大，即使是工作站也未必能够实现施 加预紧力的温度和应力应变的耦合接触模拟计算。本文首先建立油浆蒸汽发生器整体有 限元模型，计算其工作状况下的温度场分布。而后针对管板、换热管组件和螺栓组、上 下法兰以及垫片组件分别进行热应力耦合计算。 1 油浆蒸汽发生器整体模型温度场计算 轧油浆蒸汽发生器三维模型的建立 b 油浆蒸汽发生器温度场计算 2 油浆蒸汽发生器管板换热管的研究 a 油浆蒸汽发生器热应力耦合场的计算 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 b 油浆蒸汽发生器热应力耦合场结算结果分析 3 油浆蒸汽发生器密封性能的研究 a 油浆蒸汽发生器螺栓组、法兰以及垫片的热应力耦合场计算 b 油浆蒸汽发生器垫片回弹性以及密封性能研究 4 油浆蒸汽发生器密封改进措施 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 2 油浆蒸汽发生器模型的建立 2 。1油浆蒸汽发生器概述 2 1 1 油浆蒸汽发生器工艺简介 重油催化裂化装置是我国石油化工生产中的核心装置之一，油浆产品的利用好坏直 接影响装置的整体经济效益。油浆的热值相对较低，用于工业重油的调合时需要相应数 量的其它相对较高热值组分来平衡，而且当过多的高固含量的油浆用于工业重油的调合 时也将对工业重油的机械杂质含量指标造成较大影响，易造成火嘴磨损和炉膛结焦；特 别是冶炼陶瓷行业使用时将对其产品质量造成严重影响。高固含量的催化油浆作为焦化 装置的进料时则使石油焦的灰分升高，降低石油焦等级和价格；另外重油催化油浆的芳 烃含量较高，特别是稠环芳烃含量高，是良好的重芳烃化工原料，具有重要的开发利用 价值和良好的发展前景，而油浆催化剂固体含量较高( 一般为3 0 0 0 6 0 0 0 p p m ) ，不能满足 作为化工原料( 如芳烃抽提) 对重油催化油浆产品质量的要求。因此，对重油催化装置的 产品油浆进行处理是势在必行的。 催化裂化生产中油浆处理的生产工艺流程如图2 1 。分馏塔底端的油浆经过油泵抽 出后，小部分进行回炼和外甩，控制油浆系统的油浆密度和固含量，以维持油浆系统的 正常运转：大部分经初馏塔底油换热器换热以后，进入原料油换热器与反应进料换热器， 以改善进料雾化效果，最后经过油浆蒸汽发生器返回分馏塔底部。 曩 图2 1 催化裂化分馏塔油浆系统流程示意图 f i g 2 1s y s t e mo f c a t a l y z i n ga n dc r a c k i n gf r a c t i o n a t i n gt o w e r 大连理工大学硕士学位论文 油浆蒸汽换热器主要利用工艺生产过程中产生的高温液体所含的物理热来产生蒸 汽。催化装置中的油浆是温度很高的液体，它与除氧后的软化水或除盐水，通过油浆蒸 汽发生器换热，软化水或除盐水吸收高温液体油浆的热量而产生蒸汽。油浆发起换热通 常没有过热器，故只能产生饱和蒸汽。如果需要过热蒸汽，可将饱和蒸汽引出，送至由 烟气为热源的过热器过热。高温油浆中的热量被利用，温度降低后，进入下一步工艺流 程。 2 1 2 油浆蒸汽发生器结构简介 管壳式换热器是石油和化工生产中的主要设备，由一个壳体和包含许多管子的管束 所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标 准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用， 特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4 m p a ， 工作温度在2 0 0 以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1 8 0 0 毫米以下，管子长度在9 米以下，在个别情况下也有更大或更长的。 管壳式换热器主要分为固定式和浮头式两种。 ( 1 ) 固定式换热器 固定式换热器是刚性结构的管壳式换热器，其换热管束连接在管板上，管板分别焊 在外壳的两端，因此换热管、管板和外壳的连接都是刚性的。 图2 2 固定管板式换热器 f i g 2 2 f i x e dp l a t eh e a te x c h a n g e r 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 图2 2 是固定管板式换热器的示意图。a 流体从接管l 流入壳体内，通过管间从接 管2 流出。b 流体从接管3 流入，通过管内从接管4 流出。如果a 流体的温度高于b 流 体，热量便通过管壁由a 流体传递给b 流体；反之，则通过管壁由b 流体传递给a 流体。 壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体( a 流体) 。 管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体f b 流体) 。管壳式换热， 器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形：管子为直管或驴 形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角 形、正方形、正方形斜转4 5 0 和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置 时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法 清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和 胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲 刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流扳的形状有弓形、圆形和矩形 等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体 内纵向设置分程隔板，将壳程分为2 程和将管程分为2 程、4 程、6 程和8 程等。管壳 式换热器的传热系数，在水水换热时为1 4 0 0 2 8 5 0 瓦每平方米每摄氏度( w ( m 互) ) ； 用水冷却气体时，为1 0 2 8 0 w ( m ；) ；用水冷凝水蒸汽时，为5 7 0 4 0 0 0 w ( m o 管子的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上。在操作状态下由于管子与壳体的 壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力。这一点 在分析管板强度和管子与管板连接的可靠性时必须予以考虑。为减小温差应力，可在壳 体上设置膨胀节。固定管板式换热器一般只在适当的温差应力范围、壳程压力不高的场 合下采用。固定管板式换热器的结构简单、制造成本低，但参与换热的两流体的温差受 一定限制；管间用机械方法清洗有困难，须采用化学方法清洗，因此要求壳程流体不易 结垢。 ( 2 ) 浮头式换热器 浮头式换热器如图2 3 。浮头式换热器的换热管一端固定在一块固定管板上，管板 夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管 板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。由于壳体和管束间没有相互 约束，即使两流体温差再大，也不会在管子、壳体和管板中产生温差应力。 图2 3 中，浮头式换热器a 的结构，拆下管箱可将整个管束直接从壳体内抽出。为 减小壳体与管束之间的间隙，以便在相同直径的壳体内排列较多的管予，常采用图2 3 中浮头式换热器b 的结构，即把浮头管板夹持在用螺栓连接的浮头盖与钩圈之间。但这 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 种结构装拆较麻烦。浮头式换热器适用于温度波动和温差大的场合；管束可从壳体内抽 出用机械方法清洗管间或更换管束。但与固定管板式换热器相比，它的结构复杂、造价 高。 本文研究的油浆蒸汽发生器属于浮头式换热器。 图2 , 3 ，浮头式换热器 f i g 2 3f l o a t i n gh e a de x c h a n g e r 2 2 油浆蒸汽发生器的相关参数 2 2 1 几何尺寸 油浆蒸汽发生器结构图如图2 4 所示。管程介质为高温油浆，温度3 7 0 。c ，最高工 丁_ 作压力1 3 5 m p a ；壳程介质为除氧水，温度2 6 0 c ，最高工作压力4 4 m p a 。壳程内介质 吸收管程内油浆的温度，沸腾产生蒸汽，由汽包收集。 田& 4 油蒙薰汽发生嚣结构田 脚2 4 默n 曲t 钿o f o t l k 啊l 嘲“曲帅孵 豳2 5 油浆蒸汽发生嚣臂板结构翻 啦2 4 钿咖却舯o f “啊晡o f 础山町嘲瓤由_ 露 本谭曩对油浆蒸汽发生嚣建立三蛾横噩模型的主要几何尺寸及材料参数为 ( 1 ) 警板 材辩l1 6 囊栩n 尺寸l 外径1 7 1 6 r a m ，犀废2 2 2 m m 瞥板结构圈如圈2 5 所示 c 2 ) 换热警 材料l o 号无麓钢瞥 尺寸外径2 5 椭，量犀2 s 眦 ( 3 ) 法兰、封头，筲体 材料ll 国咖r c 4 ) 垫片 在役设备所采用的垫片型号为o c r l 髓酊9 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 螺栓 材料：3 5 c r m o a ( 6 ) 螺母 材料；3 0 c r m o 2 ，2 2 工艺参数 油浆蒸汽发生器的设计换热面积为9 1 6m e ，容积2 3 m 3 ，换热管共计根1 3 7 6 。为了 简化模型，这里取四分之一模型建模。油浆蒸汽发生器的工艺参数见表2 1 。 表2 ，l 油浆蒸汽发生器工艺参数 t a b2 1t e c h n i c a lp a r a m e t e ro f o i ls l u r r yh e a te x c h a n g e r 项目管程壳程 介质 油浆 水、蒸汽 最高工作温度 c 3 1 02 6 0 最高工作压力m p a 1 3 54 4 设计温度 c 3 8 52 8 0 设计压力m p a 1 5 35 2 3a n s y s 有限元计算软件及结构单元说明 2 ，3 1m 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，它将结构、热、流体、电磁和声学融于一体， 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：熟一结构耦 舍、磁结构耦合以及电一磁一流体一热耦合，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，静态磁学或随时间变化的磁学分析，以及多种类型的耦合分 析。广泛应用于机械制造、能源、石油化工、核工业、铁道、航空航天、汽车交通、电 子、土木工程、生物医学等工业和科学研究中。 a n s y s 有限元软件由匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士创立的a n s y s 公司所开发。该公司于1 9 7 0 年成立，目前是世界c a e 行业中最大的公司。在3 0 多年 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 的发展过程中，a n s y s 软件不断改进和提高，程序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【2 l 。 a n s y s 有限元分析软件有以下几个主要特点： ( 1 ) 良好的前处理功能 a n s y s 提供了强大的实体建模及网络划分工具，可以方便的构造数学模型。用户 可以直接在a n s y s 前处理模块中建立三维或者二维模型。另外，a n s y s 提供了与很 多大型通用建模软件( 例如p r o e 、a u t o c a d 、u g 等) 的数据接口。用户也可以先利 用通用建模软件建立三维或者二维模型，而后通过数据接口导入到a n s y s 软件。 a n s y s 还具有近2 0 0 多种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户方便而且准确 的构建出反映实际结构的仿真有限元分析模型，实现不同用户的不同模拟计算需求。 ( 2 ) 强大的求解器 a n s y s 提供了各种物理场量的分析，是目前惟一能融结构、热、电磁、流体、声 学等为一体的有限元分析，提供常规的线性和非线性结构静力学、动力学分析、模态分 析、耦合场分析外，a n s y s l s d y n a 模块还可以解决非线性结构的动力学分析。 ( 3 ) 方便的后处理器 a n s y s 的后处理分为通用后处理模块和实践历程后处理模块两部分。后处理结果 包括位移、温度、应力、应变、速度以及热流等。输出形式有图形显示和数据列表等。 2 3 2 棚8 y $ 在计算机辅助工程中的地位 计算机辅助工程c a e ( c o m p m e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术是用计算机辅助求解复杂 工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性 等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基 本思想是将一个复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连 续体简化为由有限个单元组成的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场 变量( 应力、位移、压力和温度等) 问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。求 解的基本方程式是代数方程组，而非原来描述真实连续体变量的微分方程组，因此得到 的是近似数值解。c a e 的核心技术是有限元理论和数学计算方法。 经过几十年的发展，a n s y s 逐渐为全球工业界所广泛接受，成为c a e 众多大型软 件中使用最广泛的软件之一。用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通、土木等众多领 域。a n s y s 构成了这些领域国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。a n s y s 软件 是第一个通过i s d9 0 0 1 质量认证的分析设计软件。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 州s y s 在能源和化工机械工程中的地位 在压力行业中，a n s y s 第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国 务院十七个部委推广使用的分析软件。a n s y s 占据了国内9 5 以上的市场份额，成为 压力容器分析设计的事实上的标准。 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，对油浆蒸汽发生器进行温度场和 应力场耦合场分析和研究。 2 3 4 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 列 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 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 5 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 6 。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 c 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 ，f u z z ) 。 下丽” 弋土夕u r _ b k 蚋 吣篓 m “o d i - 图2 5s o l i d 4 5 单元结构示意图 f i g 2 5 e l e m e n ts t r u c t u r eo f s o l i d 4 5 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 n r r 叫q ， 图2 6s o l i d 7 0 单元结构示意图 f i g 2 6 e l e m e n ts t r u c t u r eo f s o l i d 7 0 实体单元主要用于模拟热影响区内的入口管板，部分换热管及部分壳体等三维结 构，可以得到较精确的结果，是分析的主要目标。 ( 2 ) 接触单元c o n t a l 7 4 和t a r g e l 7 0 当两个分力的表面互相碰触并共切时，就称彼此处于接触状态p 1 。接触是一种普遍 的非线性行为，它是状态变化非线性类型中一个重要而特殊的子集，具有高度的非线性。 在化工设备中，彼此构件的连接常常涉及接触分析，例如法兰与螺栓的连接，密封装置 中o 形环回弹等。本文在法兰与螺栓、法兰与垫片的连接处的模拟计算正是采用了接触 单元。 接触问题一般分为两类：剐体对柔体和柔体对柔体。剐体对柔体，即一个或多个接 触表面作为刚体( 一个表面的刚度比另一个表面的刚度要高很多) ，许多金属成形问题 归为此类；柔体对柔体，即两个或所有的接触体都可变形( 所有表面刚度差不多) ，螺 栓法兰连接是一个柔性对柔性接触的例子。 在化工设备分析中，c o n t a l 7 4 接触单元应用广泛。c o n t a l 7 4 可用于描述三维 空间中变形面之间的接触与滑移状态，并可应用于耦合场接触问题。c o n t a l 7 4 单元还 适用于具备中间节点的三维实体单元和壳单元。在接触面上，具有所连接的实体或壳单 元相同的几何特性，并且可以施加摩擦。图2 7 显示了该单元几何形状及节点位置。 娶受苓 大连理工大学硕士学位论文 图2 7c o n t a l 7 4 单元 f i g 2 7 c o n t a l 7 4e 1 e m e m l 气r g e l 7 0 单元是与其对应的“目标”面单元。接触单元( c o n t a l 7 4 ) 覆盖于变 形体边界的实体单元上，与t a r g e l 7 0 单元形成的“目标片断单元”( t a r g e ts e g m e n t e l e m e n t ) 之间形成接触对，产生接触。接触行为的辨识与区分通过共享实常数号的接 触对实现。“目标”单元上可以施加任意平动或旋转位移，也可以施加力和力矩。对于 刚性目标，目标单元可以方便的模拟复杂的目标形状；对于柔性目标，目标单元覆盖于 变形体边界的实体单元上。t a r g e l 7 0 单元结构的简图见图2 8 1 蜘峪& j r 自- c 。j c b de 酶m e 难 c o ；n t a t 7 5 图2 8t a r g e i t o 单元结构图 f i g 2 8 e l e m e n ts t r u c t u r eo f t a r g e l 7 0 ( 3 ) 预紧单元p r e t e n t i o n l 7 9 在螺栓和其他结构零件上预加应力常常会给变形和应力带来很大的影响。两个 a n s y s 特征，p r e t s l 7 9 预拉伸单元和p s m e s h 预拉伸网络命令可以用于这种类型的 分析。如果固定件被网络划分为两个部分，使用e i n t f 命令可以把预拉伸单元插入两 上 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 块之间。预拉伸载荷是用来模拟接头固定处的预装配载荷。固定件可以是由任何2 d 和 3 d 结构，低次或高次实体、梁、壳、管或联接单元构成。使用a n s y s 软件中的p s m e s h 命令时，施加了预拉伸载荷的预拉伸部分必须定义在固定件内部。p r e t s l 7 9 单元的结 构简图见图2 9 。 梭正前 预紧裁茹方向 z k 制 x 梭正后 k 图2 9 预紧单元p r e t s l 7 9 f 嘻2 9p r e t e n s i o ne l e m e n tp r e t s l 7 9 节 2 4 材料定义 油浆蒸汽发生器的数值模拟计算中涉及1 6 m n 、1 6 m n r 、1 0 号钢材料、0 c r l s n i 9 、 3 5 c r m o a 和3 0 c r m o 材料，需要定义的材料常数有密度、弹性模量、泊松比，线膨胀系 数、比热、热传导系数等，为了使得计算更加精确，定义材料常数时在所需温度范围内 尽量给定多个值，并进行线性插值。为了准确计算和分析法兰一螺栓一垫片的密封性能， 对螺栓材料进行了力学性能试验。 大连理工大学硕士学位论文 将螺柱材质加工成标准试件，采用m t s 材料试验系统进行常温及工作温度下金属材 料机械性能试验，试件尺寸如图2 1 0 所示，试验结果如表2 2 所示 图2 1 0 材料拉伸试件尺寸图 f i g 2 1 0 m a t e r i a l su n d e rt e n s i l el o a d i n g 表2 2 螺栓材质力学性能试验分析 t a b2 , 2t e n s i l el o a d i n ge x p e r i m e n to f b o l tm a t e r i a l 吼 盯。 6 、王，e ( 胁)( 肋m ) ( )( )( g p a ) 常温1 0 4 8 79 5 2 51 24 0 22 1 3 工作温度( 取 9 5 4 48 6 8 89 54 2 92 0 3 2 7 0 ) g b1 5 0 1 9 9 8 三8 0 5妻6 8 5乏1 3 由螺栓材料力学性能试验结果可知，材料的强度极限、屈服极限均满足国家标准的 要求，但延伸率指标小于国家标准要求规定。 计算涉及到的所有材料常数见表2 3 。 油浆蒸汽发生器热应力计算及密封性能研究 表2 3 物性参数表 t a b 2 3m a t e r i a lc o n s t a n t s 材料号 l 2 3 456 材料 1 6 m n 1 6 m n r 1 0 # o c r l 8 n i 93 5 c r m o a3 0 c r m o 管树 名称 上法兰，下法 换热管 垫片螺栓螺母 兰、封头、筒体 密度( k g m 3 ) 7 8 5 07 9 3 07 8 7 07 8 2 0 7 8 5 0 2 0 6 ( 2 0 ) 1 9 3 ( 2 0 ) 2 1 4 ( 2 0 ) 2 1 5 ( 2 0 ) 2 0 l ( 1 0 0 )1 7 9 ( 2 0 5 )2 1 2 ( 1 0 0 )2 1 2 ( 1 0 0 ) 弹性模量e 1 9 8 ( 2 0 之0 0 1 8 9 ( 2 0 0 )1 6 4 ( 3 7 0 )2 0 5 ( 2 0 0 )2 0 5 ( 2 0 0 ) ( g 尸口) 1 8 1 ( 3 0 0 ) ) 1 5 4 ( 4 8 0 )2 0 1 ( 3 0 0 )2 0 1 ( 3 0 0 ) 1 7 2 ( 4 0 0 ) 1 9 1 ( 4 0 0 ) 1 8 2 ( 4 0 0 ) 泊松比 0 3 0 3 0 3 o 30 3 5 3 2 ( 2 0 ) 3 6 4 ( 1 0 0 )3 6 4 ( 1 0 0 ) 热传导系数足 5 1 1 ( 1 0 0 ) 5 6 9 ( 1 0 0 )1 5 0 ( 2 0 ) 4 7 7 ( 2 0 0 ) 5 2 8 ( 2 0 0 ) 1 6 0 ( 1 0 0 ) 3 4 8 ( 3 0 0 )3 4 8 ( 3 0 0 ) ( w m 。c ) 4 4 ( 3 0 0 ) 4 4 8 ( 3 0 0 )1 7 0 ( 3 0 0 ) 3 9 6 ( 4 0 0 ) 3 7 7 ( 4 0 0 )1 8 0 ( 5 0 0 ) 1 1 6 e 一5 0 8 3 l e