陶砖衬里中压闪蒸槽有限元应力分析090326NEW

1、陶砖衬里中压闪蒸槽有限元应力分析武汉理工大学力学研究所宜兴市同里非金属设备有限公司2009年3月陶砖衬里中压闪蒸槽有限元应力分析一、ANSYS软件简介ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，它广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土水工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究中。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，

2、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到

3、大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。二、分析方案容器既承受温度荷载，又有内压作用，是一个热弹性力学问题。考虑到容器有接口，器壁为非均质多层结构，而且在径向、周向和轴向都交错分布有胶泥层，若想采用解析的方法来计算各层、各个部位的应力是根本不可能的，因此必须采用数值计算方法。计算过程分两步完成，首先进行稳态热传导分析，得到器壁沿厚度方向的温度变化以及温度场，然后以此作为温度荷载，连同压力加载到容器的结构计算模型上，通过结构分析计算，最后得到压力容器的应力场。1） 在分析容器的整体应力、陶砖和胶泥层轴向、以及进出料接口内部应力时，采用轴对称模型；分析容

4、器筒身段陶砖和胶泥层周向应力和径向应力时，取横截面圆环（四分之一）按平面应变模型处理。2） 材料模式：钢材、陶砖和胶泥均按弹性处理，且陶砖和胶泥考虑材料性能随温度变化。3） 单元模式：对于轴对称模型和平面应变模型，采用4节点4边形等参单元。4） 荷载边界条件：对于温度荷载，已知容器内部和外部环境温度，考虑容器内气体和液体与器内壁长时间接触，可以认为器内壁温度与介质温度相等，考虑环境与器外壁为热对流的换热方式。对于压力荷载，作为均布压力加在容器内壁单元边界上。5） 位移边界条件：根据容器的支撑情况，以及计算模型的特点来施加。计算时分三种情况进行： 情况I ： 按压力状态计算情况II： 按热应力状

5、态计算情况III： 按压力和热应力组合状态计算三、 内衬材料结构与计算参数1、中压闪蒸槽（5800/5374，T-T=7120+80，搪铅 6 mm） 1.1 砖结构 两层耐酸耐温高级陶砖，从壳壁至中心砖层厚度依次为：60+131mm（初定）； 陶砖规格分别为：外层：230(轴向)203（环向）60（径向）；内层：230(轴向) 65（环向）131（径向）。 1.2 胶泥 从壳壁至中心依次为 Dolit FQ+ Dolit 788； 每层砖之间胶泥厚度为 6mm； 每个砖缝之间胶泥厚度为 4mm（环向砖缝和垂直砖缝）1.3 隔离层 钢壳体与最外层砖之间设置隔离层：即6mm厚的铅；2+2mm 陶

6、瓷纸，粘接剂为 Dolit HB 。表1：宜兴市同里非金属设备有限公司提供的耐酸耐温陶砖的导热系数试验温度热导率W/(mk)平均700.135平均900.144平均1100.151平均1300.184平均1500.203平均1700.245平均1900.247平均2100.264平均2300.282平均2500.319平均2700.339平均3000.387表2：应力分析所需相关材料的性能参数材料品种壳体钢材陶砖胶泥铅陶瓷纸聚四氟乙烯VP788FQAE1抗拉强度MPa785572抗弯强度MPa17183抗压强度MPa1201505260704弹性模量GPa21020：30.4230：1520：

7、10200：620：11130：620：30230：151650.6555线胀系数10-6C-112513241312.66126导热系数W/m.k42见表122.11.75350.0650.267泊松比0.30.30.30.30.30.30.30.38密度kg/m37800230016001900215011300200021209换热系数30四、 中压闪蒸槽平面应变模型的计算结果与讨论图 4-1-1几何模型图4-1-2有限元分析模型1、 情况I：按压力状态计算图 4-1-3-a陶砖径向应力分布云图图 4-1-3-b 陶砖径向应力分布云图（局部放大）图4-1-4-a陶砖环向应力分布云图图4-

8、1-4-b陶砖环向应力分布云图（局部放大）图4-1-5-a Dolit FQ胶泥环向应力分布云图图4-1-5-b Dolit FQ胶泥环向应力分布云图（局部放大）2、 情况II：按热应力状态计算图4-2-1温度场分布云图图4-2-2-a陶砖径向应力分布云图图4-2-2-b陶砖径向应力分布云图（局部放大）图4-2-3-a 陶砖环向应力分布云图图4-2-3-b陶砖环向应力分布云图（局部放大）图4-2-4-a Dolit FQ环向应力分布云图图4-2-4-b Dolit FQ环向应力分布云图（局部放大）3、情况III：按压力和热应力组合状态计算图 4-3-1-a陶砖径向应力分布云图图 4-3-1-b

9、 陶砖径向应力分布云图（局部放大）图4-3-2-a陶砖环向应力分布云图图4-3-2-b陶砖环向应力分布云图（局部放大）图4-3-3-a Dolit FQ胶泥环向应力分布云图图4-3-3-b Dolit FQ胶泥环向应力分布云图（局部放大）4、结果分析与讨论表3：不同情况下陶砖和胶泥的最大拉伸应力应力分量不同情况陶砖径向rmax （MPa）陶砖环向max（MPa）胶泥FQ环向 max（MPa）情况I(仅考虑压力)无拉应力5.86-8.02(大范围)7.28（环向砖缝，大范围）情况II(仅考虑温度)11.4（内表面尖点）7.0（外层砖外侧）3.28（局部）情况III(压力/温度组合)8.89（内表

10、面尖点）14.8（外层砖外侧）10.3（局部）注：各处压应力均未超过相应材料的压缩强度。危险区域分析：对于情况I（仅受压力作用），两层陶砖径向应力都是压应力，最大值为-3.39MPa，不超过陶砖的抗压强度；两层陶砖环向应力都是拉应力，其值在5.86-8.02MPa之间，内侧局部略超过陶砖的抗拉强度，不会造成脱砖；胶泥FQ的环向应力在2.337.28MPa之间（见图4-1-5-b），环向砖缝隙处超过了FQ的抗拉强度，将在外层砖之间的胶泥层发生环向开裂；内层胶泥VP788各应力分量均不超过了胶泥的抗拉强度。对于情况II，内层陶砖局部表面尖点的径向拉应力为11.4MPa（见图4-2-2-b），超过陶

11、砖的抗拉强度，但这个区域很小，不会影响到整体的强度；陶砖和胶泥的环向应力均不超过其抗拉强度。对于情况III（同时受压力和温度作用），内层陶砖局部表面尖点的径向拉应力为8.89MPa，超过陶砖的抗拉强度，但区域很小，不会影响到整体的强度；外层陶砖的环向应力分布情况是陶砖外侧受拉，内侧受压或应力接近于零（见图4-3-2-b），可见外层陶砖以受弯为主，最大应力14.8MPa不超过陶砖的抗弯强度。胶泥FQ的环向应力，其局部最大应力为10.3MPa（见图4-3-3-b），超过了FQ的抗拉强度，同时由图可以看出，超过5MPa的范围仅限于外层砖之间胶泥缝长度的三分之一，即20mm左右。可能发生的结果是，外层

12、砖之间胶泥缝发生一处或少数几处开裂，从而导致该层环向拉应力得到一定程度的缓解。由于内外砖层之间胶泥、以及内层和中层砖胶泥都处于安全状态，因此不会影响整体结构的正常工作。五、 中压闪蒸槽轴对称模型的计算结果与讨论图5-1-1几何模型图5-1-2 a管口部分有限元分析模型图5-1-3 封头部分有限元分析模型图5-1-4 筒体部分有限元分析模型1、 情况I：按压力状态计算图5-1-5 a管口部分陶砖径向应力分布云图图5-1-6 a管口部分陶砖环向应力分布云图图5-1-7 a管口部分陶砖轴向应力分布云图图5-1-8 a管口部分Dolit 788胶泥径向应力分布云图图5-1-9 a管口部分Dolit 7

13、88胶泥环向应力分布云图图5-1-10 a管口部分Dolit 788胶泥轴向应力分布云图图5-1-11 a管口部分FQ胶泥径向应力分布云图图5-1-12 a管口部分FQ胶泥环向应力分布云图图5-1-13 a管口部分FQ胶泥轴向应力分布云图图5-1-14 封头部分陶砖法向应力分布云图图5-1-15 封头部分陶砖经向应力分布云图图5-1-16 封头部分Dolit 788胶泥法向应力分布云图图5-1-17 封头部分Dolit 788胶泥经向应力分布云图图5-1-18 封头部分FQ胶泥法向应力分布云图图5-1-19 封头部分FQ胶泥经向应力分布云图图5-1-20 筒体部分陶砖径向应力分布云图图5-1-

14、21 筒体部分陶砖轴向应力分布云图图5-1-22 筒体部分Dolit 788胶泥径向应力分布云图图5-1-23 筒体部分Dolit 788胶泥轴向应力分布云图图5-1-24筒体部分FQ胶泥径向应力分布云图图5-1-25 筒体部分FQ胶泥轴向应力分布云图2、情况II：按热应力状态计算图5-2-1 温度场分布云图图5-2-2 a管口部分陶砖径向应力分布云图图5-2-3 a管口部分陶砖环向应力分布云图图5-2-4 a管口部分陶砖轴向应力分布云图图5-2-5 a管口部分Dolit 788胶泥径向应力分布云图图5-2-6 a管口部分Dolit 788胶泥环向应力分布云图图5-2-7 a管口部分Dolit

15、 788胶泥轴向应力分布云图图5-2-8 a管口部分FQ胶泥径向应力分布云图图5-2-9 a管口部分FQ胶泥环向应力分布云图图5-2-10 a管口部分FQ胶泥轴向应力分布云图图5-2-11 封头部分陶砖法向应力分布云图图5-2-12 封头部分陶砖经向应力分布云图图5-2-13 封头部分Dolit 788胶泥法向应力分布云图图5-2-14 封头部分Dolit 788胶泥经向应力分布云图图5-2-15 封头部分FQ胶泥法向应力分布云图图5-2-16 封头部分FQ胶泥经向应力分布云图图5-2-17 筒体部分陶砖径向应力分布云图图5-2-18 筒体部分陶砖轴向应力分布云图图5-2-19 筒体部分Dol

16、it 788胶泥径向应力分布云图图5-2-20 筒体部分Dolit 788胶泥轴向应力分布云图图5-2-21 筒体部分FQ胶泥径向应力分布云图图5-2-22 筒体部分FQ胶泥轴向应力分布云图3、情况III：按压力和热应力组合状态计算图5-3-1 a管口部分陶砖径向应力分布云图图5-3-2 a管口部分陶砖环向应力分布云图图5-3-3 a管口部分陶砖轴向应力分布云图图5-3-4 a管口部分Dolit 788胶泥径向应力分布云图图5-3-5 a管口部分Dolit 788胶泥环向应力分布云图图5-3-6 a管口部分Dolit 788胶泥轴向应力分布云图图5-3-7 a管口部分FQ胶泥径向应力分布云图图

17、5-3-8 a管口部分FQ胶泥环向应力分布云图图5-3-9 a管口部分FQ胶泥轴向应力分布云图图5-3-10 封头部分陶砖法向应力分布云图图5-3-11 封头部分陶砖经向应力分布云图图5-3-12 封头部分Dolit 788胶泥法向应力分布云图图5-3-13 封头部分Dolit 788胶泥经向应力分布云图图5-3-14 封头部分FQ胶泥法向应力分布云图图5-3-15 封头部分FQ胶泥经向应力分布云图图5-3-16 筒体部分陶砖径向应力分布云图图5-3-17 筒体部分陶砖轴向应力分布云图图5-3-18 筒体部分Dolit 788胶泥径向应力分布云图图5-3-19 筒体部分Dolit 788胶泥轴

18、向应力分布云图图5-3-20 筒体部分FQ胶泥径向应力分布云图图5-3-21 筒体部分FQ胶泥轴向应力分布云图4、结果分析与讨论表4：筒体部分不同情况下陶砖和胶泥的最大拉伸应力 应力情况陶砖径向rmaxMPa陶砖轴向zmaxMPa788径向rmaxMPa788轴向zmaxMPaFQ径向rmaxMPaFQ轴向zmaxMPa情况I无拉应力3.37无拉应力3.23无拉应力3.09情况II13.1(内表面尖点)9.67（外层砖外侧）无拉应力无拉应力无拉应力5.27(局部)情况III10.6(内表面尖点)12.9(外层砖外侧)无拉应力无拉应力无拉应力8.34(局部)注：各处压应力均未超过相应材料的压缩强

19、度。表5：a管口部分不同情况下陶砖和胶泥的最大拉伸应力 应力情况陶砖径向rmaxMPa陶砖环向maxMPa陶砖轴向zmaxMPa788径向rmaxMPa788环向maxMPa788轴向zmaxMPaFQ径向rmaxMPaFQ环向max MPaFQ轴向zmaxMPa情况I10.8(管口与封头交接处,外层砖局部)12.7(管口与封头交接处,外层砖局部)3.162.543.611.327.59(管口与封头交接处,局部)6.31(管口与封头交接处,局部)4.06情况II15.1(内表面尖点)12.4(外层砖外侧)18.0(接管端面尖点)2.74无拉应力3.54.78无拉应力7.8(局部)情况III20

20、.0(管口与封头交接处,外层砖局部)21.2(外层砖外侧)20.2(接管端面尖点)1.99无拉应力1.659.14(局部)无拉应力6.20(局部)注：各处压应力均未超过相应材料的压缩强度。表6：封头部分不同情况下陶砖和胶泥的最大拉伸应力 应力情况陶砖法向rmax （MPa）陶砖经向max（MPa）788 法向rmax （MPa）788经向max（MPa）FQ法向rmax （MPa）FQ经向max（MPa）情况I5.2511.0(局部)6.13(局部)11.5(局部)1.774.97情况II12.8(内表面尖点)11.9（外层砖外侧）无拉应力无拉应力无拉应力5.47(局部)情况III10.4(内

21、表面尖点)16.0(外层砖外侧)无拉应力1.86无拉应力10.5(局部)注：各处压应力均未超过相应材料的压缩强度。轴对称模型危险区域分析：轴对称模型计算筒体部分陶砖的径向、环向应力与平面应变模型计算结果相差很小，可认为基本一致，表明所建立的两个分析模型是正确的。从表4可以看出，情况I陶砖径向不受拉，压应力远小于抗压强度；对于情况II（仅考虑温度作用）和情况III（同时考虑压力和温度作用），筒体部分内层陶砖表面尖点处径向拉应力超过陶砖的抗拉强度，但这个区域很小（见图5-2-17和图5-3-16），不会产生脱胶或掉砖。情况I陶砖的轴向拉应力不超过陶砖的抗拉强度，情况II和情况III的外层陶砖的轴向

22、应力分布情况是陶砖外侧受拉，内侧受压，陶砖处于受弯状态，其最大应力不超过陶砖的抗弯强度。三种情况胶泥788径向应力均受压，情况II和情况III胶泥788的轴向应力也受压，且压应力均不超过其抗压强度。情况I胶泥788的轴向应力最大值为3.23MPa，低于其抗拉强度。三种情况胶泥FQ径向受压，轴向受拉，情况I的最大拉应力在FQ的抗拉强度之内，而情况II和情况III的最大拉应力值5.27MPa和8.34MPa，超过了FQ的抗拉强度，但是此应力仅发生在外层砖之间胶泥缝的局部范围内（见图5-2-22和图5-3-21），不会影响结构的正常工作。表5给出了a管口部分三种情况下陶砖和胶泥所受的拉应力情况。对于

23、情况I，管口与封头交接处外层砖局部径向和环向拉应力分别达10.8MPa和12.7MPa（见图5-1-5和图5-1-6），超过陶砖的抗拉强度，可能使管口外层某块陶砖产生裂纹，但这个区域较小。情况II陶砖的内表面尖点径向拉应力为15.1MPa（见图5-2-2），情况III陶砖管口与封头交接处外层砖局部径向拉应力为20.0MPa （见图5-3-1），超过陶砖的抗拉强度但这个区域很小，不会产生掉砖。情况II和情况III陶砖在管口端部表面尖点处的轴向拉应力超过陶砖的抗拉强度（见图5-2-4和图5-3-3），但这个区域也非常小，不会影响整体强度。情况II和情况III的外层陶砖的环向应力分布情况是外侧受拉、

24、内侧受压，陶砖处于受弯状态，情况II的最大应力不超过陶砖的抗弯强度（见图5-2-3），但情况III的最大应力超过了陶砖的抗弯强度（见图5-3-2），可能会造成某块砖开裂。三种情况胶泥788各应力分量均不超过其抗拉强度。情况I管口与封头交接处局部胶泥FQ径向应力和环向应力达7.59 MPa和6.31MPa（见图5-1-11和图5-1-12），情况II的轴向最大应力达7.8MPa（见5-2-10），情况III的径向和轴向最大应力分别达9.14MPa和6.2MPa（见图5-3-7和图5-3-9），超出其抗拉强度，但区域较小，仅发生在外层砖之间胶泥缝的局部范围内，不会影响结构的正常工作。从表6看出，情

25、况II和情况III封头部分内层陶砖局部法向最大拉应力略低于筒体部分，出现在内表面陶砖尖点处，不会发展成开裂破坏。情况I内层陶砖局部（经向曲率最大处）经向拉应力最大值达11.0MPa（见图5-1-15），而且此处胶泥788的法向和经向拉应力最大值也分别达到了6.13MPa和11.5MPa（见图5-1-16和图5-1-17），均超过其抗拉强度，因此陶砖或胶泥可能会在此处开裂。情况II和情况III封头外层砖外侧经向最大拉应力分别为11.9MPa和16.0MPa，但内侧为压应力（见图5-2-12和图5-3-11），即该层砖以受弯为主，应力低于弯曲强度。情况II和情况III时外层砖之间的FQ胶泥的经向拉

26、应力分别为5.47MPa和10.5MPa，超过了FQ的抗拉强度，但是范围较小，不会影响结构的正常工作。六、三维层合壳模型的计算结果与讨论（仅考虑压力状态）在容器设备的整体受力分析以及进一步分析开孔对筒体和封头部分影响时，由于容器设备的壁厚结构太复杂，采用三维实体单元来建立多层容器的有限元模型几乎是不可能的，为了使计算得到一定的简化，这里采用三维层合壳模型来计算。层合模型可以考虑壁厚方向的材料变化，即内、外两层砖和胶泥，铅层、陶瓷纸、钢壳都可以在模型中得到反映，但是各层砖在面内近似处理为均质材料，计算时其性能采用陶砖和砖缝胶泥的复合等效性能。层合壳模型只能计算各层的面内应力，不能得到厚度方向的应

27、力，用该模型计算时，只对情况I进行计算。结果分析时，结合前面两种模型对三种情况计算结果的比较，将温度应力的影响加以考虑。图6-1 中压闪蒸槽3D层合壳有限元分析模型图6-2 中压闪蒸槽3D层合壳有限元分析模型（封头部分）图6-3 中压闪蒸槽3D层合壳有限元分析模型（筒体部分）图6-4 内层陶砖环向应力分布云图图6-5 胶泥788环向应力分布云图图6-6 c管口内层陶砖环向应力分布云图图6-7 c管口胶泥788环向应力分布云图图6-8 c管口外层陶砖环向应力分布云图图6-9 c管口胶泥FQ环向应力分布云图图6-10 b管口内层陶砖环向应力分布云图图6-11 b管口胶泥788环向应力分布云图图6-

28、12 b管口外层陶砖环向应力分布云图图6-13 b管口胶泥FQ环向应力分布云图图6-14 闪蒸槽钢壳的环向应力分布云图整体层合模型结果分析：在仅受压力作用下，两层砖、两种胶泥层和钢外壳的环向应力分布如图6-4图6-14所示，在孔边都存在应力集中，但是应力集中区域不大。根据前面平面应变模型和轴对称模型的计算结果，在考虑压力作用【情况I】的基础上再考虑温度应力时【情况III】，内砖层、788胶泥层的环向应力将由拉应力变为压应力，而外砖层外侧的拉应力会进一步增大7MPa左右，如图6-15图6-18所示。因此，外砖层是危险层。由图6-12和图6-8可知，在压力作用下外层砖在b、c管口孔边的最大拉应力分

29、别为13.5MPa和8.72MPa，若再加上温度应力，则b、c孔边外层砖外侧局部最大拉应力分别可达20MPa和16MPa左右。这已经超过了陶砖和砖缝胶泥的强度，将会造成此处外层陶砖或砖缝胶泥FQ的小范围开裂。 从图6-14可以看出，即使钢外壳，管口孔边的环向应力集中系数也在2.0左右，因此，管口处钢外壳必须进行补强。图6-15 压力情况下a管口处的环向应力分布云图图6-16 压力和温度组合情况下a管口处的环向应力分步云图图6-17 压力情况下陶砖环向应力分布云图图6-18 压力和温度组合情况下陶砖环向应力分布云图七、 结论与建议1）筒体部分：按照原设计图纸和给定的荷载、温度与材料参数（情况II

30、I），中压闪蒸槽筒体部分外层砖外侧环向拉应力14.8MPa，虽然超过拉伸强度，但是该层砖内侧基本不受拉伸，可认为以受弯为主，所受弯曲应力低于弯曲强度值，因此砖的强度基本满足。外层砖之间的胶泥（FQ）所受环向拉应力最大值达到10.3MPa，超过FQ的拉伸强度，但是超过5MPa的区域仅限于外层砖之间胶泥缝长度的三分之一，即20mm左右，可能发生的结果是，外层砖之间胶泥缝发生一处或少数几处开裂，从而导致该层环向拉应力得到一定程度的缓解。由于内外砖层之间胶泥处于安全状态，因此不会影响筒体整体结构的正常工作。砖和胶泥所受拉应力在筒体的轴向比环向要小，因此若环向满足强度要求，则在轴向没有问题。2）封头部分

31、：封头应力也较筒体的环向应力小，因此若环向满足强度要求，则在封头部分不会有问题。3）a管口：接管外层陶砖外侧的环向应力达21.2MPa，其最大弯曲应力超过陶砖的抗弯强度，可能会造成此处某块砖开裂，不会影响闪蒸槽整体结构的正常工作。4）b、c管口：b、c接管本身受力情况与a接管相近，不会产生强度问题。但是b、c接管在筒体和封头上会产生较大的孔边应力集中，可能导致孔边外层陶砖或胶泥缝局部开裂，为了保证容器的正常工作，建议在每个管口处对筒体和封头进行局部补强。5)情况I是不安全的，因此不容许先加压、后升温。表7-1：中压闪蒸槽筒体部分各层材料的应力和变形数据名称内侧应力Mpa外侧应力Mpa内侧温度外侧温度内侧变形量（mm）外侧变形量(mm)环向径向轴向环向径向轴向压力温度组合压力温度组合内层砖-9.51-1.38-12.74.68-1.460.161838