（化工过程机械专业论文）大型固定管板式换热器管板的有限元分析.pdf

妊囊也工土学埙士学位论文 大型固定管板式换热器管板的有限元分析 摘要 管壳式换热器是化工、炼油等工业中广泛应用的典型工艺设备， 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 件载荷豹主要部件。在大直径的场合下，正确分析管板受力状态，对 保证换热器安全运行和节约材料等起着非常重要的作用。 本论文建立了三维实体参数化管板模型；分析了管板模型的温度 场分布规律，验证了a s m e 规范中表皮效应理论；分析了不同操作工 况下管板模型的应力场，并按照j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器 分析标准进行了强度分析和评定。强度分析结果表明：除了简体上 的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位予管板与简 体连接凰焦过渡处的一次斑力加二次应力，鼠最大值发生在热载赫和 壳程压力同时作用下的操作工况下；在壳程侧，管板在较薄的厚度内， 存在较大的热应力，主要是由此处较大温度梯度而导致产生的，因此 在管板强度计算中应该考虑管板表面温差弓f 起的热应力。 本论文还分析了管板与筒体和管箱连接过渡圆角的大小对镣板虚 力的影响。研究表明，适当增大圆角半径，能显著降低该位置处的峰 值威力，较明显地改善此处的应力分布情况。 此外，本论文还建立了传统等效模型，比较了稳态操佟工况下三 维实体模型和传统等效模型的计算结果。结果表明：在菲布管区两种 北京化工土带硕士学位论文 模型的计算数据十分吻合，但在管板布管区，由于三维实体模型考虑 了管板表瑟的湿度梯度，两转统模型的计算中无法考虑该温度梯度， 则导致在布管区三维实体模型计算应力大予传统模型的计算应力。 关键词：大直径管板，温度场分析，应力分析，有限元方法( f e m ) 北童化工土学硕士学嚏论文 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e t u b e s h e e tl nal a r g ef e d t u b es h e e t h e a te x c h a n g e r a b s t r a c t s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r sa r e t y p i c a lp r o c e s se q u i p m e n t w i d e l yu s e d i n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s 。t u b e s h e e t i st h em o s t i m p o r t a n tp a r t ，w h i c hi su s e dt oc o n n e c ts h e l l ，t u b eb u n d l ea n dc h a n n e l a n db e a rp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r el o a da n do t h e rl o a d s f o ra l a r g e t u b e s h e e t ，p e r f o r m i n gs t r e s sa n a l y s i si se s p e c i a l l yu s e f u lf o rs a v i n gt h e m a t e r i a lw h i l ek e e p i n gs u f f i c i e n ts t r e n g t ho f t h et u b e s h e e t i nt h i s p a p e r ，3 - df i n i t ee l e m e n ts o l i dp a m m e t r i z e dm o d e lo f t u b e s h e e ti s e s t a b l i s h e d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h em o d e l i s o b t a i n e d ，i nw h i c h “s k i ne f f e c tt h e o r y ”d e s c r i b e di na s m ec o d ei s v e r i f i e d s t r e s sf i e l di nt h et u b e s h e e ti sc a l c u l a t e da n ds t r e n g t hi sc h e c k e d a c c o r d i n gt ot h ej b 4 7 3 2 1 9 9 8s t a n d a r d 。r e s u l t ss h o wt h a tb e s i d e sp m ( g e n e r a lp r i m a r ym e m b r a n es t r e s s ) o fs h e l la s ac o n t r o l l i n gf a c t o r ， p l + p b + q ( p r i m a r y s i i e s s p l u ss e c o n d a r ys t r e s s ) l o c a t e d a tt h e 北童化工土学硕士学位论文 c o n n e c t i n gf i l l e to ft u b e s h e e e ta n ds h e l l ，a l s op l a y sk e yr o l e i n t h e o p e r a t i n gc a s eo ft e m p e r a t u r el o a da n d s h e l ls i d ep r e s s u r e t h et h e r m a l s t r e s si sr e l a t i v e l yl a r g ei nav e r yt h i ns u r f a c el a y e ro ft u b e s h e e to nt h e s h e l ls i d eo w i n gt ot h eg r e a tt e m p e r a t u r eg r a d i e n tt h e r e t h e r e f o r e ，t h e t h e r m a ls t r e s sr e s u l t i n gf r o mt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft u b e s h e e t s u r f a c e ：s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tf o rt u b e s h e e ts t r e n g t hc a l c u l a t i o n e f f e c to f t h em a g n i t u d eo f t h ef i l l e tc o n n e c t i n gt h et u b e s h e e e ta n d s h e l lo nt u b e s h e e ts t r e s si sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r i ti so b t a i n e d t h a ti n c r e a s i n gt h ef i l l e tc a ns i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et h ep e a ks t r e s si n t h i sl o c a t i o na n di m p r o v et h es t r e s sd i s t r i b u t i o n f i n a l l y ，t r a d i t i o n a le q u i v a l e n t m o d e lf o rt u b e s h e e t ：i s a l s o e s t a b l i s h e da n dc o m p a r e dw i t ht h e 3 一ds o l i dm o d e lu n d e rt h eo p e r a t i n g c a s ei ns t e a d ys t a t e i ti so b t a i n e dt h a ti nt h er i mr e g i o no ft u b e s h e e t ， t h et w om e d o l sg i v ev e r yc l o s er e s u l t s , b u ti nt h ep e r f o r a t e dr e g i o no f t u b e s h e e t ，t h e3 - ds o l i dm o d e lg i v e sg r e a t e rs t r e s s e st h a n t h o s eb y t r a d i t i o n a le q u i v a l e n tm o d e li ft h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft u b e s h e e t s u r f a c ei sc o n s i d e r e di nt h e3 dc a c u l a t i o n ，w h i c hi si m p o s s i b l et ob e c o n s i d e r e di nt h et r a d i t i o n a le q u i v a l e n tm o d e l k e yw o r d s ：l a r g et u b e s h e e t ，t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s ，s t r e s s a n a l y s i s , f e m 建熏他置太学殒士学位论文 掰号说明： p 。一壳程压力，m p a r 管程愿力，m p a p 一管程流体流经换热管的压力损失，m p a 卜重力，n t 叫盛度， l 边缘效应影晌长度，m m r ，一换热管外径或壳体外径，m i l l t 一厚度，m 孺 l 。一换热管实际伸出长度，m i l l l oo ，一简体实际 串爨长度，m m l t 。，一换热管理论伸出长度，姗 l 。：一筒体理论伸出长度，m m l ，q _ 一换热管等效伸出长度，m m l oo 。- - - 筒体等效 审浅长度，撇 a 一换热管横截面积，m - e 。换热磐弹性模爨，k l p a e ：换热管等效弹性模量，m p a 1 3 t 一换热管线膨胀系数，1 c 彭换热营等效线膨涨系数，1 e f 简体弹性模量，m p a 裂一蓠髂等效弹褴模量，m p a 6 。一简体线膨胀系数tl 雕一简体等效线膨胀系数，l r 一管板与簿体和管箱连接过渡疆角半径，m l f b 一管板薄度( 扣除腐蚀余量) ，h i m = 匕京化工大学位论文原创性声嘎 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师昀指导下， 独立进行研究工作所取褥的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法德结果南本人承担。 作者签名：生丝坚 日期： 2 q q ：q 量：31 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的残定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保黧并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复镧手段保存、汇编 学挝论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。菲保密论文注释：本学位论文不满予保密范围，适用本授 权书。 作者签名：塑垒：陛 导师签名：堑缝 北京化工文学埙士学位论文 1 ，1 课题来源 第一章概述 本课题是北京化工大学化工设备设计研究所研究课题，重点对大型固定管板式 换热器管板进行验证性应力分析。本文分析的换热器为超大型换热设备，由于超 出了g b l 5 1 中的相关规定，只能依据j b 4 7 3 2 - - 9 5 镧制压力容器一分析设计标准 对管板进行强度校核。 1 。2 换热器蟹板疆究领域的历史、现状和发展情况 换热器是化工、炼油等工业中广泛应嗣的典型工艺设餐，用来实现热量的传递， 使热爨出高温流体传给低温流体。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，是管党式换热器不 可缺少的重要元件“”3 。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黧要的作用。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，以邀行强度分析、推导和论证，但这就导致 计算与实际情况存在着差异“。目前国际通用的管板的设计标准有美国t e m a 标 准( 规范法) 、美国a s m e 规范( 分析法) ，英国的b s 标准，日本工监标准，j i s ，西 德a d 规范和我豳的g b l 5 1 ( 规范法) 及j b 4 7 3 2 ( 分析法) 等。 国外管壳式换热器的基本设计方法予二十世纪初出现”1 。1 9 4 1 年t e m a 标准首次颁布管板的设计标准。酋版t e 姒标准仅限用于浮头式和u 形管式换热 器豹管板设计。该标准将管板视为均靠载荷作用下豹圆形薄板，按弯曲变形时的 最大眨力为基础进行计算，是一种半经验方法。1 9 4 8 年g a r d n e r 首先建立了设 计管扳的基础，在浮头式换热嚣篱板设诗时，考虑了换热管的支撑作用积管扳孔 的削弱效应。】9 5 2 年g a r d n e r 将此方法应用于固定管板换热器的管板设计中。同 期，m i l e r 也独立地推荐了一秘方法。两者形式一不同，实质上一样。j 9 6 5 年英 国b s l 5 1 5 采用m i l l e r 方法进行管板设计计算。1 9 6 8 年t e m a 标准第五版由g a r d n e r 担任管板设计部分的颥问，作了相应的改动。1 9 6 9 年g a r d n e r 又提出了不需簧逐 拄京地工史学埙士学饿论文 次逼近求解管扳厚度的简化没 f 方法，除包括个“孔桥系数”之外，其蒸本公 式与常用的平扳盖公式相同，但设讨系数不是常数，而是周边不丌孔圆环半径比 等参数的函数。此方法以一合理的假设条 牛为兹提，可求解有效的局部压力和径 向弯矩，但限用于浮头式换热器。二十世纪7 0 年代，一些压力容器规范，例如i s o d i s 2 6 9 4 1 9 7 3 、b s 5 5 0 0 1 9 7 6 等慰浮头式或u 形管换热器基本一h 采用 g a r d n e r l 9 6 9 年的方法。1 9 7 5 年a s m e 建立一个“传热设备特别工作组”，以制定 比t e m a 标准更科学的新的换热器设计规定。1 9 8 0 年a s m e 特羽工作组采用了 6 a r d n e r l 9 6 9 年的方法，为a s m e 标准制定了“镑板设计规定”，作为非规定性附 录a a ，列入1 9 8 2 年冬季增补中，限用于u 形管换热器的管板设计。1 9 8 8 年颁 布了t e m a 标准第七版。该版在以前各版的基础上进行了彻底的修改，管板设计 部分增加了不少新内容，如弯藏强度公式中增加了“孔挢系数r l ”，各秘管板计 算的速查图表，兼作法兰的固定管板，管束两端不等厚度的固定管板等。1 9 9 0 年 英国的b s 5 5 0 0 标准以g a l l e t l y l 9 5 9 年提出的一种固定管板式换热器警叛强度分 析方法为依据，不仅考虑了管子对管板的支撑作用和管孔对管板的削弱作用，而 且把管扳考虑为在周边是弹性夹持的德况。由此羲出，国外对管壳式换熬器管扳 的标准化工作相当重视，这对推动世界范围内管壳式换热器管板技术不断发展， 对制定具有科学牲和权威牲的搽准提供了可靠的保证。 我国管壳式换热器管板设计计算最早出现于t h 2 5 9 标准中。1 9 7 2 年机械部 颁- 布豹部级掾瞧j b l l 4 5 7 l 也包含存关予管板设诗计算的陡窑。1 9 7 3 年以莓， 原一机、石油和化工三部成立了压力容器设计规定编制组，管板组由清华大学工 程力学系黄克翡、募明德等组成。经避凡年的试骏磷究，制定了一套换热器管叛 强度计算方法。1 9 8 0 年5 月黄克智等在第四届国际压力容器会议上介绍了他们的 碜 x 北京化工太学硕士学谊论文 1 。3 裁人的研究成果 1 。馋统等效管扳理论方殛豹成果 当量实心管扳的概念从1 9 4 8 年至今共经历了二个阶段。 第一阶段：1 9 4 8 t 9 5 9 ，该输段涌现了诲多计算理论和馁设，但由于缺少颦实 的理论基础，理论计算结果与实验结果并不太一致。1 9 4 8 年，g a r d n e r 首先提出 在承受提嗣载德时，耀猸同尺寸和相同特性的当量实心扳束代替真实多孔扳，并 定义一个因数，7 ( 刁为开孔后板的抗挠刚度叶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”) 以考虑开孔对管板削弱的影响。同年g a r d n e r 根据最小管桥宽度对野进行了修正。1 9 5 2 年，| a l k i n 和h o r v a y 提出另一种描述开 孔对板肖0 弱的方法，采用当量实心板的有效弹性模量e 和泊松比，+ 来代替当量实 心板的攘挠剐度扩的方法，并使当量实心援豹挠度与真实嚣孔叛的挠度耜嗣。1 9 5 5 年，d u n c a n 通过承受弯曲载荷的管板的实验研究，提出了挠度系数灯的关联式。 第二阶段：1 9 6 0 1 9 6 2 ，该阶段对f e 和，+ 馕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 用光弹法在矩形塑斟 板中进行了实验，并得出了不同情况下e + e 和7 e 值的变化规律。同年，l e v e n 在 强形塑料板上邋过试验捡查了s a m p s o n 的结果，测量豹挠度与使两s a m p s o n 骞效 弹性常数计算的结果一致。1 9 6 2 年，0 d o n n e l l 对这些结果进行了综合，提出一 组乎巍载葛状杰下和弯麴载荷状态下翡魏线。 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懿形开孑l 撵嚣形式鞫正方形多琵择雏形 写谩埽唬镆弧躨li：1。fii；，l黼ij雾。i一萋。? _ 理论方法的出现为界限，这些 理论方法能够确定三懿形开孑l 撵嚣形式鞫正方形多琵择雏形式下的毳闻带系数口 的函数、e + e 和，+ 值。理论与实验结果吻合一致。 2 管板有限元分析方面的成果 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予根管 子的换热器进行直接的三维有限元分析，为此singh与holtz，0hol，kasahara， 豫京化工太学硕士学经论文 建立了11 2 5 。和4 5 。管板扇区的结构进行了分拆。并将其结果与等效圆乎扳理 论的辅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 板可选取适当角度稿区来处理。 1 9 9 7 印太原工业大学的刘俊明。”。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 亍了分手厅。结论认为管扳的最大应力发生在营扳与管箱连接的过 度圆弧处。 翦面所做鼹研究都没有考虑管子豹支撑作用对管叛的影晌。2 0 0 2 年w e i y aj i n “ 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 管程的换热器模型，并考虑了派差应力的影响。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袭明：因为管子在起到支撑作用 时弯曲应力很不明显，艨潋应用轷单元就是够精确，魏累应用管单元会耗费大量 机时。 2 0 0 3 年，j 京化工大学的章姚辉、器洪”3 等人应蠲a n s y s 软件，痤耀实体单 元、先单元和梁单元建立了管板和换热管的较真实模型，进行了澡度场和热应力 分橱。蕊出了管板上的温度分奄云图嗣篱扳沿厚度方囱上豹温差应力的变纯曲线。 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 5 年，1 3 寨化工大学豹支i 海亮“。”。”应用a n s y s 通用有限元分辑软件，对 某大型电站6 0 0 m w 锅炉高压给水加热器的管板建立了考虑管箱、壳体和换热管影 响的镑扳有跟元实傣摸跫，分辑了营扳的湿度场分布，褥出了管投上滠度的分毒 规律，分析了管板在包括开工、正常工作和停车过程中可能出现的七种瞬态和稳 态操捧工况下的强度状况。褥出管板的恁验工况不是发生在歪翥操作工况下，丽 是发生在可能出现的壳程压力先停的瞬态工况下。 。4 本课舔的研究目的和意义 秘人对管板的磅究已经取褥了缀大的成就，这燕或就包括等效管叛理论帮管扳 温度或应力的解析解及有限元解。应用等效管板理论计算出的管板的应力值和真 实毽之润惫有定偏差。箍羞计算机的发展，已存学者应用有限元方法进行管扳 应力分析。但对于大直径管板，由于计算机硬件条件的限制，这方耐的研究较少。 本谍瑟的磊的跫通过对大管板遴行有限元分韦厅，为此类管板豹设诩+ 提供参考。这 对于节省设备成本和制造费用以及实现大型换热器的国产化很有必要。 6 北童花工土学钼哺嚣贽奠 “j ! 1 薹囊薹羹诼备 叠耋雾耋；墓蠢；。：；雪借拱疆鞑登炷冶褊锩囊浦蘸融毕彭i ；= j 鳓韧七弼 罩：。二薹一：薹；，；”兽。醛雏楚黯秘澄翳瓣猢“# 羹爹豺籍j 带霄引；球舞鲫明驰甥孵努n 骏馨驷耗蛩弧l 豁g 拦孙磊型剿氮 ；萎。国 琢潍馏啦啭懈，；季毫锌稚特点锚饕鼢醴暑煞斟苫撄臻等im 二翻打蛐鲍瓤 妻：。i 霉；。莩毫茅爱袋魁；辐写管籍粕筒惦j 托京他工土学顿士学位论文 警程 口 2 0 58 8 3 管徉出口 2 8 08 9 8 由表2 2 所知，上管扳处篱程和壳程温差最大，且下管板的分柝与上管板相 同，所以本课题只研究工况更为危险的上管板。 2 1 3 材料数据 操作工况一f 有关丰要受压元件材料特性数据如表2 3 所示。 表2 3 操佟r 显一f 材料特性数据 受压元件名称 上管板换热僚筒体上管箱 牌号 s a 2 6 6 4s a 3 3 4 g r ls a 3 0 2 es a s 1 6 g r 7 0 金属平均温度2 3 7 5 2 8 02 7 52 0 0 弹往搂餐m p 8 1 8 9 3 6 21 8 6 7 7 31 7 6 2 5 61 9 1 3 3 4 泊松比0 3o 3o 3 0 3 线澎胀系数向( m ) 1 1 2 4 5 7 e 一51 3 2 0 8 e 一51 3 9 5 4 e 一513 5 8 4e 5 许用应力舯a1 3 71 0 7 91 8 4 11 5 0 1 导热系数w ( m 4 6 。74 4 3 64 0 44 1 9 2 1 4 载荷数据 所考虑载旖包括：蠢程舔力敝、管穆压力r 、熏力w 、热载穗。 与压力载荷和温度载荷相比，重力引起的应力通常很小，可以忽略不计，所以 本课题中管板模型只需考虑阻下三种载穗： 1 管程工作压力载荷p c = 2 0 7 m p a ； 2 壳程工作压力载旖p s = 5 8 6 龋p a ； 3 温度载荷t ：本课题先求得了管板模型的温度场( 各节点上的温度) ，将各节 点的滠度作为滠度载荷输入，求出了溢度载荷在结构中引起的温差虚力。 2 1 5 操作工况 将管程疆力、壳程糙力与温度载荷三种载荷缀合，可以得到包括开工、正常工 作和停车过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作互况。各种工况编号见表2 4 。 表2 4 各种搡作工况编号 操作工况描述载荷工况组合操作：1 ：况编号 i 稳态【况正常操作 p c + p s + t7 9 北童化工土学硕士学拄论文 2 3 1 等效弹性模登 等效目的：使l ；。、l 。长度的简体和换热管沿z 向的变形比较真实地反映 l 。一l 、l 。l l 。长度的简体和换热管沿z 向的变形。 等效原则：在横截面积和作用力相等的情况下( 应力相简的情况下) ，l 。长 度换热管和乙。一l 懈长度的换热管的沿z 向变形量相等；l 。长度筒体和 l 。l 。长度的筒体沿z 向的变形量相等。 设换热繁截面积为是，弹性模量为嚣；，等效弹性模量为耳，均承受大小为f 的作用力，根据单向应力状态下胡克定律，则嚣秘情况下变彤量为： a l =f ( l 。j 。哪一l 。j 。) 一f l l 。 a e ta e ： 劂 e ：= 轰地。= 淼地。一o z ，e t “叫， 闻理，简体的等效弹性模爨为： e ：2 i _ ；：芒e ；2 j 淼x e 。= 。s 。e 。( z s ) 2 3 2 等效线膨胀系数 等效强的：热分柝辩，在湿度载蕊豹作用下，使l ；，、l _ 钧长发的篱体和换 x 疵蠢地工太譬鳆士学位论文 同璎，简体的等效线膨胀系数为： ：= 盐蛾= 警x 3 = 1 9 9 7 7 p 。( 2 - 5 ) u se q 。” 使得注意的是，在热分析过程中，豳为线膨胀系数的等效，使得等效部位的应 变值增大，所以必须同时等效材料的弹性模量，才能保证等效部位应力俊不变。 而在其饨载荷作用时只等效材料的弹性模置。此外，式2 4 和2 5 中的等效线 膨胀系数的计算公式只适用于换热管和简体等效部位的z 向线膨胀系数，而x 和y 向应采用材料的平均线彩胀系数。 将表2 3 中数据带入式2 2 、2 3 、2 4 和2 5 计算出操作工况下换热管 和筒体材料的等效弹性模量和等效线膨胀系数。整理后用于计算的操作工况下材 料的特性数据如表2 5 所示。 e ：= o 0 2 9 e ；= o 0 2 9 1 8 6 7 7 3 = 5 4 1 6 4 m p a e ：= 0 。0 5 0 e ；= 0 0 5 0 1 7 6 2 5 6 = 8 8 1 2 8 m p a p ：= 3 4 3 8 6 1 3 m b 。= 3 4 3 8 6 1 3 2 0 8 1 0 。= 4 5 4 1 7 1 0 。m ( m ) “ 1 3 ：= 1 9 + 9 7 7 1 3 。= 1 9 9 7 7 1 3 9 5 4 1 0 = 2 7 5 9 1 0 。m ( m ) “ 表2 5 操作工况下材料特性数据 上管扳上管箱 位置及材料换热管s a 3 3 4 ( j r l 筒体s a 3 0 2 c s a 2 6 6 c l 4s a 5 1 6 g r 7 0 金属平均湿度 2 3 7 52 8 0 2 7 5 2 0 0 l 弹性模鬣m p a 1 8 9 3 6 25 4 1 6 48 8 1 2 + 81 9 1 3 3 4 泊松眈 0 30 30 30 3 x 良y 戎z 惫x 良y 趣 z 是 线澎张系数 1 2 4 5 7l ，3 5 8 4 1 0 5 m ( m ) 1 鸵0 8 l3 2 0 8 4 5 4 1 71 3 9 鞋 i3 9 5 4 2 7 5 9 终用应力 , i p a 1 3 71 0 7 91 8 4 11 5 0 1 荨热系数 4 6 74 43 6 4 0 4 4 1 9 w ( m ) 。 北棠把工土学硕士学位论文 2 。4 建立有限元模型跚“州 2 4 。 单元类怼 本课题热分析采用8 节点六面体热分析单元s o l i d7 0 ( 见图2 3 ) 。结构分析 采剧与s o l i d7 0 相对应豹8 节点六面体结构分拆单元s 0 1i d4 5 ( 见圈2 4 ) 。二 者可以相互转化，并具有退化功能，便于生成复杂的网格，比较适用于该模型。 幽2 - 4s o l i d7 0 形状、坐标和退化单元图2 - 3s o l i d4 5 形状、坐标和退化荤元 2 4 2 参数纯横型豹建立 由于模型很大，四分之一模型上就有2 4 3 3 根换热管，所以建立模型和划分合 理静嗣格就十分困难。奉论文根据数学化整为零的思想，采用a p d l 语言，编制了 可实现换热管根数、布置方式、管板厚度、筒体结构以及管箱结构尺寸参数化的 程廖。该程序的总体步骤如下。 1 先建立管板四分之一圆平面，沿每列换热管中心切分管板面，然后沿每条换 x 蛀京犯工太学硕士学醢论文 幽2 5 管板恧离散效果图 剡2 - - 6 管扳蕊规板布管。瓢管板大魏分的，趟酬够明鼹嚣霜碍铘薯积霸鼢肺醐? 动孵群霹园鲜j 隘强之旧藏l i 前哥雀雍渐渤嵫强酸赛= 署夔霉扛靠廷翌替 矧裂2 7 4 3 8 7 j 准灌蠹滔嘿3 7 6 8 8 3 。 囊i i 鬻嗲漱巾渤童滗潦餐 2 ，4 ，3 噻溶喧豫 1 豫甥孽灞菇蠢雾影篇 荆型剖鸳型溢燃搿霄流体的温度，存在较大的温度梯度。该分布 规律与美国 a s m e 规范中的管板开孔区中只有在靠近管板表面( 壳粳侧) 静薄层金属中存 在较大的温度梯度( 称为“表皮效应”) 豹结论相吻合。在管板非布管区，管板温 度由大约2 7 0 匀速降歪2 4 5 ，未出现较大温度梯度。 北煮化工土学鳆士学短论文 壳程侧沿筲板厚度从f 向上的距离m m管程侧 酗3 4 各路径上沿管板厚度的温度变化曲线隧 由图3 4 可知，管板布管区的路径p a t h l p a t h 3 的温度分布曲线几乎完全重 合，温凄梯度在接近壳耧侧较大，然后逐渐减小，至管程侧，温度梯度几乎海至0 。 管板非布管区的路径p a t h 6 、p a t h 7 的温度分布曲线也相互麓合，灞度梯度接近为 定值。从管板的布管区到菲布篱区，管板沿厚度方囱的瀑度分布掬线逐步 窭渡为 线性。该特征充分验证了a s m e 规范中表皮效应的理论。 3 3 温度场分析小结 参考其他文献f 2 8 1 1 2 9 3 0 1 3 ”，结合本课题所计算搿的管袄滠度场分布曲线，在施 加对流边界的条件下，验证了如下管板温度场分布规律。 在管板非布管区，管板沿厚度方向的温度由搂近于壳程流体豹温度线性降低至 接近于管程流体的温度。在管板布管区，管板大部分厚度上的温度接近管稷流体 温度，只在靠近壳程流体一侧很薄的区域内管板溢度接近于壳程流体温度。管板 表层温度与流体温度的接近程度取决予对流传热系数，对流传热系数越小，管板 表层温度与流体温度的差值越大。 1 9 建东化工土学埙士学饿论文 第四耄多种操作工提下管板应力场分析和强度校核 4 1 各操作王况下的分析结果及讨论 换热器在操作过程中，共有7 中工况，如表2 4 所示。但在我国换热器的计 算标准g 8 1 5 l 中管扳的计算只考虑其中的4 种工况，这样的做法并不十分充分。 本课题对7 种操作工况均进行了应力计算，并根据j b 4 7 3 2 应力分析法的标准进行 强度校核。为了充分考虑管板各处的应力强度的危险情况，根据应力强度的分布 情况，在管板模型的应力最大值处、结构不连续处以及应力强度中膜应力占主要 地位的地方建立路径，主要对所取路径上的应力强度进行校核，并根据强度校核 的结果对结构的强度送行评定h 。 如图4 1 所示共取6 条路衽。其中路径p a t h 2 位予温度载荷单独作用时应力 强度值最大处( 管子内表面处) ，p a t h l 则位于与危险路径p a t h 2 相邻的管极截面 上。p a t h 3 和p a t h 4 分别位于管板与管箱及篱体相连接的过渡处，为结构不连续处。 p a t h 5 、p a t h 6 分别位于封头截面和筒体截面处，用于评定该处一次总体薄膜应力 强度。该6 螽路径分别代表了各种操作工况下管板模型最危险应力强度处的位茕。 在不同的工况下，可根据载荷和模型的特点以及应力强度云图特点，采用不同的 路径进行评定。 在机械载犄作用下，根据j b 4 7 3 2 中应力的分类标准和校核标准，p a t h l 和p a t h 2 位于管扳布餐区，为结构不连续区域，需校核一次局部薄膜应力r ( 印s ：， 和一 次应力加二次应力p 【十p 。+ q ( 即s ，。) 。p a t h 3 和p a t h 4 位于管板与管箱和筒体的过 渡连接处，也是结构不连续处，篙校核次局部薄骐应力& ( 即s 。) 和一次应力 加二次应力p 。+ p 。+ q ( 印s ，。) 。p a t h 5 和p a t h 6 位于远离结 ；0 ，l 舅疙翮嚣雠醺嚣 鞴媳酣餐县攀篇军纛酸粥髫翡弼l n + q ( 印s ，v ) 。p a t h 5 和p a t h 6 位于远离结构不连续处，需校 核一次 总体薄膜应力r(即s；)和一次薄膜加一次弯越威力pl+p。(即s。)。在热载单独作用情况下，根据b 4 7 3 2 的相关规定，热应力属于二次应力，所 以，上述所有路径处只震校核一次应力船二次应力p ；+ 民+ q ( 即s ；。) 。 在热载和机械载荷同时作用的情况下， path5和path6处除了需校核一次总 北京化工土学糠士学位论文 各操作工况下所取的路径及评定标准见表4 1 。 豳4 一l 路径示意图及局部放火圈 ( b ) 表4 一l 各操作工况下所取评定路径及评定标准 所取路径与评定标准 一l ：况，编号 p a t h lp a t h 2 p a t h 3 p a t h 4p a t h 5 p a t h 6 。ls i ￥s ：ys l 、s “ p c ，2s 【l s s l isj 、s 1s f i p s 。3s ns hs l is i s ls m t + p c ，4s s 】、s i ls 1ys i 】s i vs 】s l i ls 罩p s ，5s l !s ! ￥s 1 1s l vs i is “s ls s l v p c + p s ，6st 1s ys s s its 1 vs is l i j 罩p c + p s ，7 s 1 1s i v s l ；s ! ￥ s is i ys i ls “s s l i is ws is f s v 4 1 1 热载单独作用下( t ) 的分析结果和讨论 该工况出现在换热器停工对，壳程和管程进翻阀阉眩关闭，壳程压力和管程压 力同时卸除的瞬间。在该操作工况下，换热器管板模型各部分因为材料不同，线 膨胀系数不嗣基温差不周，从聪务部分之润由予热交形焉产生较大瓣热应力。将 第三章中对管板模型温度场分析的各节点的温度分布结果作为体载衙加到模型上 的各节点上，采蠲p c g 求解器进行运算，褥到的如强4 2 所示的热应力强凌分布 云图。 张囊纯工土学】| 蠹士带 耋论文 图4 2 热栽尊独作用1f 整个模型热应力场分布详圈 ( a )( b ) 鬻4 3 热艨力场孛赢力强凌疆大饿髓置局邸放大髑 国强霹2 可翘，蕊应力矮发瓣最大馕秀1 2 0 m p a ，蓑雯在靠遂舞程管教瑟翡管 予蠹裘焱处，局部放大圈魏隧4 - 3 掰示，这主要熬囱予管扳在接近蠢耧的表霞辫运 产生了很大的温度梯度，从而引起了很大的温差威力。 根搬模型鼢应力云图特点，取4 条危险路径，如图4 一l 所示鲍p a t h l 、p a t h 2 、 p a t h 3 鞠p a t h 4 。器路径只鼹校梭沿这黧路经鹃一次应力搬二次应力p ；+ 氏姻( 鼙 s ，) 。 路径p a t h l 、p a t h 2 、p a t h 3 和p a t h 4 上的_ 【煎! 力强度曲线分别如图4 4 、4 5 、 4 6 鞠4 7 睽示。两中，鉴饿、紫色秘红色魏绫分翱代表漫渡路锓的膜应力强瘦 砖京化工土学幔士学位论文 曲线、膜加弯应力蛆度曲线和总癍力强度曲线a 在后续分析中，所有应力强度曲 线圈中曲线颇包的含义与此同。 图4 4 滏p a t h l 应力强艘曲线 龋4 - - 5 辩p a t h 2 应力强攫曲线 建煮化工土学埙士学俄论文 豳4 6 浍p a t h 3 应力强度眭睦线 图4 一? 沿p a t h 4 赢力强度曲线 在该操作工况下，沿各路径的应力评定见表4 2 。 表4 2 沿荐路径的应力讦定结栗 s t v ( p i + 毫+ q s3 0 s ) 路径 结果 计算值设计值结论 设计傣，m p a 算值，m p a p a t h l 4 1 18 73 2 1 ，2 合格 p a t h 23 2 3 71 4 9 ，4 4 6 2 9 6合格 p a t h 34 1 15 7 81 4 1 合格 北京化工大学硕士学位论文 叵互j 二 三 二堕 ! 注：1 p a t h l 位置处取管板材料，其许_ l _ l j 麻力s m = 1 3 7 m p a 。p a t h 2 位置处取换热管材料 其汁川麻力s m = 1 0 7 9 m p a 。p a t h 3 、p a t h 4 分别位丁：管板与管箱和简体的过渡连接处，无论管 辖还是简体材辩的许圳应力均高于管扳材料，j j 主焊接材料的强度也赢，管板材睾斗，所以t p a t h 3 、p a t h 4 她均取管扳材料进行评定，其许朋戍力s m = 1 3 7 m p a 。在后续分析中，与此同。 2 表中计使为根据j b 4 7 3 2 的相关评定标准所规定的值，为k s m ，在戚续分析中，设计 值均代表此意。 3 表中“计算值设计值”一栏中，黑体并带存f 划线的一项代表所占酉分比最大，即该 操作l 况_ 卜擐危险的情况。在后续的分析中，凡评定表中黑体并带有下划线的项均代袭此意。 4 详细结粜见附录中袭f - l f 4 。 国表4 2 可知，在热载单独作用的情况下，p a t h 2 为最危险路径，管板模型 满足强度要求。 主l 图4 4 和豳4 5 可知，在壳层侧，管板在较薄的厚度内，存 在较大的热应力。这主要是由于此处存在较大温度梯度丽产生的温差应力。 4 1 2 管程压力单独作藤下( p c ) 的分毫斤结果和讨论 该工况出现在换热器开工时，管程进口阀先开，压力达到操作压力的瞬间。采 用p c g 求解嚣进行运算，可褥到如图4 8 所示的应力强度分布云图。 潮4 8 管程压力单独作用下模型应力场分布详圈 幽图4 - 8 可知，应力强度的最大值为1 7 0 m p a ，发生在管箱封头的顶部，而封 头其他部分的应力值贝0 低于该僚很多。这主要是由于受a n s y s 软件建立模型的影 响，在形成封头体网格过程中，若通过封头截面进行旋转形成体网格时，在封头 中心线处旋转半径为0 ，a n s y s 将报错，无法进行后续的操作。在本模型中，考 虑封头顶部弗不是该模型的最恁险处，所以在其顶部挖去一个孔( 考虑网格形状 瘫京化工太学两士学馕论文 2 表中“比值”为计算值设计值。 3 详维结果弛附录中表f 一8 f l o 。 由表4 4 可知，在壳程压力单独作用的情况下，p a t h 6 为最危险路径，且此 部位的应力以一饮应力强度为主。管板模型满足强度要求。 4 。4 热载与警程压力瓣b 李作用下( t + p c ) 豹分桥结果和讨论 该工况出现在换热器停车时，先关闭壳程进口阀，壳程压力为0 的瞬问。a n s y s 软件可以实现分别单独计算两种载荷作用下的模型的应力应变结果，然后将两种 载荮工提掴熊，得到嚣种载德同时作穰驰情况。懿阁4 1 6 骈示为将热载工况和 管程压力载荷工况相加而得到的应力强度分布云图。 图4 一1 6 管程压力攀独作用下模蘩斑力场分布详圈 由图4 1 6 可知，应力强度的最大值为1 7 1 m p a ，发生在管箱封头的顶部，而封 头其他部分的应力值则低于该值很多。同4 1 2 节的分析，该操作工况下最大应 x 蛀煮化工文学硕士学伍论文 4 1 5 热载与壳程压力同时作鞠下( t + p s ) 的分析结果和讨论 该工况出现在换热器停工时，先关闭管程进口阀，管程压力为0 的瞬间。同样 根据a n s y s 眉处理的特点，将热载和壳程压力分别单独作用下蛉结果相加，就可 得到该操作工况f 管板模型的应力强度分布情况。在取结果时，将如图2 2 所示 的麓体和换热管等效长度部分的单元羼蔽，只显示模型其余部分的结采( 具体等 效见2 3 节) ，则该操作工况下，管板模型的应力强度分布云图如图4 - - 2 1 所示。 图4 2 1 先辗压力单独作用下模型应力场分布详图 由图4 ，2 l 可知，绒力强度豹最大使为3 2 6 m p a ，发生在简体伸赍长度的端部。 因为该部位与等效长度部位相连，则连接部位的应力值受等效部位的影响，该处 的艨力值并不真实，僮辗薅边缘效应豹影响公式，此处的应力情况并不影响管板 的应力值和分布。所以，该模型在取路径时，不考虑如图4 2 l 所示的最大应力 强度僮处。 根据该操作工况下模型的应力云图特点，取4 条危险路径，如图4 1 所示的 p a t h l 、p a t h 2 、p a t h 4 和p a t h 6 。p a t h l