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超长结构温度效应影响的有限元分析
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高压给水加热器厚管板的有限元分析(二)――考虑管箱、壳体和换热管影响的管
时间：&&来源：中国反应釜网&&作者：[db:作者]&&浏览次数：97
　　在中，建立了考虑管箱、壳体和换热管影响的真实管板的传热分析有限元模型，并分析了管板上的温度场。在本文中将研究考虑管箱、壳体和换热管影响的真实管板的结构分析有限元模型，并采用此模型在换热器可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下进行管板的强度分析和优化分析。　　一般说来，换热器在工作时要受到管程压力、壳程压力和温度载荷等三种载荷的单独或联合作用。因此，对管板进行强度分析时如果只分析载荷同时作用的正常操作工况是不充分的，因为不能保证这种工况一定是危险工况。上述三种载荷可以组合成七种不同的瞬态或稳态操作工况。只有分别对这七种操作工况都进行分析，才能找出管板的最危险工况，这时管板的强度分析才是完整可靠的。　　本文分析所使用的有限元几何模型的建立，及进行工况组合时用到的温度载荷都已经在中进行了论述，在此不再重复。下面只将进行结构分析时用到的材料物性、载荷工况和操作工况、边界条件等作一说明。　　2结构分析的材料特性、载荷工况和操作工况及边界条件2.1结构分析的材料特性对模型进行有限元结构分析时所采用的材料属性如表1所示。　　22结构分析的载荷工况和操作工况表1模型各部位材料属性材料部位管板本体管箱壳程壳体换热管20*C杨氏弹性模量（MPa）操作温度杨氏弹性模量（MPa）20C泊松比操作温度泊松比20C设计应力强度（MPa）操作温度设计应力强度（MPa）导热系数（W/m.C）（20C/操作温度）线膨胀系数（m/m.C）2.21载荷工况共三种载荷工况：（1）管程压力载荷工况（2）壳程压力载荷工况P.s：：。s=272MPa；（3）温度载荷工况T在中进行了这部分结构的有限元传热分析，已求得了结构上的温度场（各节点上的温度）。在结构分析时将求得的结构上各节点的温度作为温度载荷输入，即可求出温度载荷在结构中引起的温度应力（热应力）场。　　2.22操作工况将管程压力载荷、壳程压力载荷与温度载荷三种载荷工况进行组合，可以得到包括开工、正常工作和停车过程中可能会出现的七种瞬态和稳态操作工况。各种工况编号如表2中所示。　　表2各种操作工况编号操作工况描述载荷工况组合操作工况编号稳态工况正常操作开工管程先开的瞬间壳程先开的瞬间瞬态工况管程、壳程同时开的瞬间停工壳程先停的瞬间管程先停的瞬间管程壳程同时停的瞬间2.23结构分析的边界条件所有载荷工况的约束都是：约束壳体端面的Z（轴）向位移，和壳体端面与XZ平面的相交线的Y向位移，以及在对称面上施加对称位移约束（如所示）。　　管程压力载荷工况管程压力的大小为34MPa.管程压力在管子横截面上引起的轴向应力，可以认为是由管子截面的圆环面积承担。故管子端部横截面上受到的由管程压力引起的压应力为：同管程一样，壳程压力在管子横截面上引起的轴向应力可以认为是由管子截面的圆环面积承担。故管子端部横截面上受到的由壳程压力引起的压应力为：Pt、Ps*管程、壳程压力R、R*管子外径、内径3有限元结构分析及讨论为了在后处理中可按JB4732应力分析法标准进行各处的强度分析，所以根据分析得到的应力强度分布状况，在模型上选取了7个路径，如示。下面主要是对该图所示路径上应力强度进行分析，并根据这些应力强度评定结构的强度状况。3.1三种载荷工况单独作用下的应力分析结果及3.1.1操作工况1作用下的计算结果载荷工况I是管程压力（4MPa）单独作用的载荷工况。这种载荷工况也是一种操作工况，在开车先开管程的初始瞬间会出现这种工况。　　由可以看到，最大应力强度发生在管板和管箱封头的过渡圆弧段，最大值为441MPa.过最大应力强度点的路径上的应力强度线性化曲线如所示。　　3.1.2操作工况2作用下的计算结果载荷工况2是壳程压力272MPa单独作用的载荷工况。此工况也是一种操作工况，在开车先开壳程的初始瞬间就会出现这种工况。通过分析，得到的应力强度分布图如所示。　　操作工况2作用下模型的应力强度分布云图应力强度的最大值发生在管板与壳程壳体连接的过度圆弧处，最大值为115MPa.经过最大应力强度最大值的路径Path6上的应力强度线性化曲线如所示。　　操作工况2作用下Path6上的应力强度曲线31.3操作工况3作用下的计算结果载荷工况3是以中传热分析得到的结构温度场为载荷条件的载荷工况，此工况也是一种操作工况，在管程和壳程压力同时卸除的瞬间就会出现这种工况。以温度为载荷条件，对模型进行温差应力分析，得到温差应力强度分布如所示。　　模型的温差应力强度分布云图从上可以看出，温差应力强度的最大值为394MPa.最大温差应力强度发生在靠近壳程管板面的管子内表面处。　　3.2由载荷工况组合得到的操作工况下的应力分析及讨论3.21操作工况4作用下的计算结果如表2所示，将管程压力Pt单独作用的载荷工况结果与壳程载荷Ps单独作用的载荷工况结果叠加，就可以得到管程载荷与壳程载荷同时作用时的操作工况：操作工况4的结果。　　当开车时，同时开启管程和壳程阀门的瞬间，管板、壳体和管箱还没有完全被加热（或开始先通入的是冷流体）温差应力不明显，将会出现这种操作工况。在该组合操作工况作用下的应力强度分布情况如所示。　　管程壳程压力同时作用下应力强度分布图从上可以看到，最大的应力强度值为431MPa，发生在管箱与管板的过渡圆弧处。将此图与进行比较可以发现，此种工况下的最大应力强度值（431MPa）比管程压力单独作用时的最大应力强度值（441MPa）小。这说明当管程压力和壳程压力同时作用时，两种载荷互相削弱彼此的作用。　　3.22操作工况5作用下的计算结果如表2所示，将管程压力Pt单独作用的载荷工况结果与温度载荷T单独作用的载荷工况结果叠加，可以得到管程载荷与温度载荷同时作用时的操作工况：操作工况5的结果。　　设备停车时，如果先关壳程阀门，在阀门关闭的瞬间，壳程压力撤去，壳程温度还存在，就会产生这种操作工况。在该组合操作工况作用下的应力强度分布情况如所示。　　从上可以看出，应力强度的最大值发生在管板与管箱过渡，冷、热流体的交界处，最大值为558MPa.比管程压力单独作用时的最大应力强度323操作工况6作用下的计算结果如表2所示，将壳程压力Ps单独作用的载荷工况结果与温度载荷T单独作用的载荷工况结果叠加，可以得到壳程载荷与温度载荷同时作用时的操作工况：操作工况6的结果。　　在这种工况下，壳程压力与温度载荷共同作用。　　当停车时，先关管程阀门的瞬间，管程压力已经卸除，但管程的温度仍然存在，此时这种工况就会出现。在该组合操作工况作用下的应力强度分布情况如0所示。　　从0上可以看出，这种工况下的最大应力强度点的位置与温差应力强度单独作用时相同，发生在蒸汽入口端的管板底面附近的管子内壁。最大值为400MPa.这说明在这种工况下，温差应力强度占主导地位。　　324操作工况7作用下的计算结果如表2所示，将管程压力Pt与温度载荷T共同作用的载荷工况结果与壳程载荷Ps单独作用的载荷工况结果叠加，可以得到管程载荷、壳程与温度载荷同时作用时的操作工况：操作工况7的结果。　　当设备正常工作时，管程压力载荷、壳程压力载荷与温度载荷同时作用，就会出现这样的工况。在这种工况下的应力强度分布云图如1所示。　　应力强度分布云图从1上可以看出，最大应力强度值为548MPa，发生在管板与管箱过渡，冷热流体的交界处。　　将此图与和比较可以发现，这种工况下最大应力强度值，比操作工况5的最大应力强度值小。说明对于管板而言，壳程压力削弱了管程压力的作用。　　3分析与讨论因为管板上的应力很复杂，为了对管板进行强度分析，对于每一种操作工况都取了如所示的Path1、Path4、Path5、Path6四个路径。在不同的载荷下，不同路径上的应力强度值见表3.比较各种操作工况下各个路径上的应力强度值，可以发现最危险的操作工况是管程压力载荷和表3各种载荷工况下，相同路径上的应力强度值比较（MPa）路径（如所示）载荷工况号许用应力强度评价合格温度载荷同时作用的操作工况：操作工况5，也就是设备停车时，先关壳程阀门，壳程压力撤去，壳程温度还存在的瞬态工况，而不是正常操作工况7. 4结论对于厚管板换热器，考虑温差应力的影响，进行热构偶合分析是非常有必要的。　　换热器的危险工况不一定发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况，而有可能发生在某个瞬态操作工况下。所以为保证安全，在对管板分析时，对各种稳态、瞬态操作工况都进行分析比较，找出危险工况，是有必要的。　　考虑到换热器存在的几种危险操作工况，为了避免危险，换热器在开车或停车时应合理地安排阀门开、关的顺序。在条件允许的情况下，设备在开车时应先开压力较低一侧的阀门，再开压力较高一侧的阀门，从而避免高压侧载荷单独作用的危险工况；设备在停车时则相反，应先关闭压力较高一侧的阀门，再关闭压力较低一侧的阀门，从而避免高压载荷与温度载荷同时作用的危险工况。　　（4）在计算机硬件和软件支持下，在换热器管板分析与设计中采用有限元方法，不但可行，而且与规范设计方法相比有明显的优点，即不但可以考虑管箱、壳体和换热管以及管板本身复杂结构对管板强度的影响，而且还可以考虑多管程和多壳程管板上温度和压力对不对称分布的影响。（下转第28页）处理手段使晶粒细化。也就是说，该钢种锻件晶粒度的控制取决于锻造过程，如始锻和终锻温度，以及变形量的控制等。当变形量超过临界变形程度后，随变形量增加，晶体缺陷增多，形变存储能增大，再结晶形核部位增多，从而得到较细的晶粒。另外，加热温度越高，保温时间越长，晶粒越粗大。因此，为获得理想的晶粒尺寸，必须综合考虑锻造温度和变形程度的影响。　　3.2变形量的控制奥氏体不锈钢高温变形抗力大，铸态时枝状晶粗大、晶界弱化，因而，对于72t大型不锈钢锭，第一火锻造时需小的压下量，待粗大的枝状晶打碎后，才能采用较大的变形量。　　对奥氏体不锈钢，为了得到较细的晶粒，最后一火变形程度应大于25%否则由此引起的粗晶无法细化。　　3.3控制锻造裂纹的产生和扩展Crl8型不锈钢的锻造加热温度主要受高温铁素体形成温度的影响，当钢的加热温度超过此温度时，钢中原有的游离铁素体U）含量就会显著增多，将由a+Y两相组成，在a和Y相的界面上产生锻造裂纹。这就限制了始锻温度，同时为使锻件获得细小晶粒，终锻温度也必须严格控制。因此，只能在*C温度范围内实施锻造，一旦有裂纹产生，空冷气刨，及时清理。　　3.4锻后冷却的控制由于奥氏体不锈钢组织结构的特殊性，锻后要求必须快冷，以免沿晶析出CraC6相，增加晶间腐蚀倾向。　　4热处理为了获得较均匀的成分和组织，18和塑性。　　以上封头为例，液氢容器锻件的热处理工艺见18―8型不锈钢固溶处理不当，极易在晶界析出S铁素体，使力学性能、尤其是▲值急剧恶化，故水冷时必须急冷、冷透。　　固溶处理的力学性能结果非常好的满足了要求，见表4（由于试验手段所限，暂时无法做一253°C的冲击试验），金相检验的结果无铁素体。　　表4上封头溶处t理后的力学性t能项目（纵向）（横向）数据固溶处理后，所有锻件进行超声波检验，均满足JB4730*94标准的I级要求。　　5结语冶炼工序通过采取措施得到理想的化学成分，锻造工序控制始终锻温度和最后一火的变形量得到较细的晶粒度，加上合理的热处理工艺，高压液氢容器锻件获得了较好的力学性能和产品质量。　　川大学，主要从事大锻件的热处理工作。　　（上接第21页）
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固定管板式换热器管板强度的有限元分析_曹海兵_图文
导读：固定管板式换热器管板强度的有限元分析，为了对管板进行合理的设计,使其既满足强度要求也满足工艺条件,利用有限元计算软件对，关键词:有限元;应力分析;管板中图分类号:TQ050.3，某冷凝器属于固定管板式,管板延长兼做法兰,利用有限元方法对管板延长部分兼做法兰结，1参数化有限元模型的建立，(管程压力单独作用)的应力进行了分析和讨论，由于结构左右前后对称,所以分析模型只需取该结构的1/4,如图1所示
第46卷第3期2009年6月化　工　设　备　与　管　道PROCESSEQUIPMENT＆PIPINGVol.46　No.3
Jun.2009　
固定管板式换热器管板强度的有限元分析
曹海兵,　江楠
(华南理工大学化工机械研究所,广州　510640)
摘　要:某公司根据GB151按照常规设计方法设计了一台冷凝器,结果发现由于管板厚度(200mm)过大造成工艺条件无法满足。为了对管板进行合理的设计,使其既满足强度要求也满足工艺条件,利用有限元计算软件对管板进行了详尽的计算与分析,调整管板厚度为150mm,并依据JB4732《钢制压力容器―――分析设计标准》对其安全性进行了评价。
关键词:有限元;　应力分析;　管板中图分类号:TQ050.3
文献标识码:A
文章编号:09)03-0004-04
FiniteElementAnalysisofTubesheetinFixedTubesheetHeatExchanger
CAOHai-bing,　JIANGNan
(ResearchInstituteofProcessEquipment,SouthChinaUniversityofScienceandTechnology,Guangzhou　510640,China)Abstract:　AcoolerwasdesignedinaccordancewiththemethodfromGB151.But,itwasfoundlaterthatthetubesheetwastoothick(thethicknesswas200mm)tosatisfytheprocessrequirements.Toreachtherequirementsbothfromstrengthandprocess,byusingfiniteelementanalysissoftware,thetubesheetwascalculatedandanalyzed.Then,thethicknessofthistubesheetwasreducedto150mm,whichwassatisfiedwiththesafetyrequirementsfromthestandardJB4732.Keywords:　tubesheet
　　某冷凝器属于固定管板式,管板延长兼做法兰,利用有限元方法对管板延长部分兼做法兰结构的固定管板换热器进行强度分析需要对模型进行一定的简化,由于该冷凝器的温差较小,因此本文没有考虑管板上温度差引起的应力,而只是对最危险工况该冷凝器的基本设计参数如表1所示。
表1　冷凝器的基本设计参数
　参数管板厚度/mm法兰公称直径/mm壳体厚度/mm换热管外径/mm换热管壁厚/mm换热管孔数螺栓个数螺栓孔直径/mm筒体内径/mm
管程压力/MPa壳程压力/MPa管程入口侧温度/℃壳程入口侧温度/℃管程出口侧温度/℃数值.
1　参数化有限元模型的建立
1.1　模型的简化
由于现有计算条件的限制,建立模型时需要进行一些简化
,简化时考虑以下几个因素:
(管程压力单独作用)的应力进行了分析和讨论。
(1)建立模型的时候只考虑管板、法兰、壳体和管束部分,法兰垫片用等效的均布比压来代替。由于结构左右前后对称,所以分析模型只需取该结构的1/4,如图1所示。
(2)建模时认为管子与管板已达一体化(材料可以不同),单元相互连接,不考虑接触关系。为了建模和求解方便,忽略管子在管箱侧的外伸长度;在壳程侧,保留有限长度的外伸管子和壳体,分析中各部件的材料特性具体数值如表2所示。
根据边缘效应的影响长度公式:ΔL≥2.5管子须保留的外伸长度为ΔL≥2.5
收稿日期:;　修回日期:
作者简介:曹海兵(1984―),男,广东乐昌人,硕士研究生。主要研
:过程装备节能与可靠性研究。
2009年6月　曹海兵,等.固定管板式换热器管板强度的有限元分析
12.2mm,壳体须保留的外伸长度为ΔL≥2.mm,本文中取管子在壳程相对于管板的外伸长度为150mm,壳体相对于管板的外伸长度为250mm。
(3)管板通过建立管板面,进行拖拉实现模型的建立
定,操作状态下需要的最小螺栓载荷为:
WF785D6.28DmPp=F+p=0.GPt+Gbt
式中　D――垫片压紧力作用中心圆直径;G―
　b―――垫片有效密封宽度;　y―――垫片密封比压;　m―――垫片系数。
垫片选取平金属内包石棉(铁或软钢)类型,垫片系数m=3.75,y=52.4MPa。根据实际模型计算出操作状态下单个螺栓所需的预紧力为Wp/20=N,因此加载时以190.8MPa压力加于螺栓横截面上,在法兰密封面上施加等效垫片压力102.7MPa。
。管板面分为布管区、不布管区、密封垫
片区及圆螺栓区。在布管区管子是正三角形分布
,法兰上的螺栓简化为小圆柱体。
图1　有限元模型表2　材料特性数据
弹性模量/MPa泊松比
许用应力/MPa
管板16Mn锻0
筒体16MnR0
图2　管板应力计算载荷示意
对模型边界的约束为:在对称面上施加对称位移约束,换热管一端约束,一端连接在管板上,即约束换热管一端的轴向位移。
1.2　模型单元的选择
为了真实模拟管板及相连部件的应力状态,壳体、管板、管束全部采用实体单元。结构分析采用的是8节点六面体单元Solid45,Solid45用于仿真3D实体结构。图1的有限元模型中单元数为43036,节点数为77810。
3　有限元分析结果及讨论
3.1　管板整体的应力分析
通过计算,管板整体的结构应力云图如图3。
2　载荷与边界条件
本文中主要考虑的是管程压力单独作用的情况。分析中,螺栓、换热管和管板作为一个整体考虑,在螺栓上施加均布压力P在垫片接触面上施1;加沿垫片均布的垫片压力P将管板和壳体接触端2;固定;换热管内表面及管板管程端面施加管程压力P16MPa,载荷情况如图2所示。t=
螺栓力的加载有预紧状态和操作状态
图3　管板整体结构应力强度分布云图
由图3可知,应力强度的最大值为298MPa,发生在筒体与管板的连接处。为了分析结构各部分的
应力情况,选取四条路径path1,path2,path3,path4(如图4所示)进行分析。其中,path1和path3位于管板与筒体的连接处,为结构不连续处。path2和
path4分别是远离结构不连续处的法兰截面和筒体截面,用于评定该处的一次总体薄膜应力强度或一次局部薄膜应力强度
图4　路径示意图及路径局部放大示意
3.2　管板布管区的应力分析
单独提取管板与管子连接的管板布管区部分,其应力强度分布云图如图5所示
力强度进行校核,结果汇总于表3。比较表3中各路径上的强度值,可以发现在结构不连续处应力值均非常大。
图5　管板布管区应力强度分布云图
由图5可以看出,管板上的最大应力为197.1MPa,壳程侧管板的应力比管箱侧管板的应力高,管板上远离中心位置的应力比管板中心附近的应力高。如图6所示,选取两条危险路径path5,path6。路径的起点均在管箱侧,终点在壳程侧。Path5,path6位于布管区,为结构不连续区域,因此需校核一次局部薄膜应力P和一次应力加二次应力PLL+PQ。b+
3.3　有限元结果强度评定
按照JB《钢制压力容器―――分析设计标准》对管板在载荷工况下的强度进行分析。为了得到应力强度分布状况,在模型上选取了若干路
径,6图6　路径示意图及路径局部放大图
处理后的板材边缘已发生晶间腐蚀,局部晶粒剥落,晶间腐蚀深度为约2μm。试验结果表明波纹板材料晶间腐蚀敏感性较大
(1)此类结构的换热板在运行环境中由于热应力达到400～500MPa,超过材料屈服强度,导致波纹板端面、侧面局部塑性失稳变形。(2)相邻波纹板焊接热影响区由于受到敏化,在介质的作用下发生晶间腐蚀。由于该部位约束造成局部热应力过大导致晶间型应力腐蚀裂纹。(3)由于运行工况中温度的波动变化,导致该部位发生了腐蚀疲劳裂纹扩展,直至引起波纹板破裂泄漏失效。
(4)波纹板开裂泄漏破坏的直接原因是该部位局部热应力过大从而引起晶间型应力腐蚀裂纹。腐蚀疲劳则是在此基础上加速裂纹扩展的过程,是影响整个断裂破坏时间的因素,系间接影响因素。该设备在如此高的运行温度下采用此结构形式是不合适的。
(5)建议:在高温运行环境下设计并制造具有柔性密封结构的换热器,以避免局部产生过大的热应力;选用耐晶间腐蚀的材料;在实际的运行环境
图8　波纹板敏化前后的金相组织
中,尽量减少操作温度的波动。
(上接第6页)
表3　各路径应力强度评定
应力评定路径位置
管板与壳程筒体连接边缘
(图4中path1)
管板不布管区兼作法兰部位(path2)壳程筒体与管板连接的过渡区(path3)不在管板连接边缘范围的筒体区(path4)管板布管区(path5)管板布管区(path6)
组合应力强度
一次局部薄膜应力强度PL二次应力强度PPQL+b+
一次局部薄膜加一次弯曲应力强度PPL+b
一次局部薄膜应力强度PL二次应力强度PPQL+b+一次总体薄膜应力强度Pm一次局部薄膜应力强度PL二次应力强度PPQL+b+一次局部薄膜应力强度PL二次应力强度PPQL+b+
计算值84.23
131.98.941.624.164.9
结论合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格
(1)通过文中有限元的分析可以看出,管板在危
险载荷工况下(P16MPa,P0)应力分布比较复t=s=
杂。在结构不连续位置,应力集中比较严重,管板布管区以及管板与壳体连接处应力最大值达到298MPa。
(2)通过表3中应力强度的评定,结果表明:冷凝器管板厚度采用150mm,各危险路径上的一次应力和二次应力评定均满足强度要求,说明该管板厚,足强度要求的情况下得到了充分利用。
[1]　章姚辉.管壳式换热器的三维有限元分析[D].北京化工大
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高速气流及热应力对弹架结构强度影响的有限元分析
结构强度是保证工程零件正常工作的重要条件，在进行零件设计前需要对设计中所使用的材料的机械性能进行了解，然后根据技术要求对零件的几何尺寸进行设计，在零件设计出而未投入使用前必须对其结构强度进行计算分析。零件的结构强度与所用材料的机械性能和零件的几何特征有关，而材料的机械性能又与材料的温度有很大的关系。本文主要完成弹道导弹中用于连接前端战斗部与后段弹体的中心管中连接部位的结构强度的分析计算。根据弹道导弹的几何特征和飞行情况查找出与其相对应的气动参数，用Visual C语言编写程序计算出弹道导弹在再入段中的某一段飞行过程中的空气阻力系数，然后计算出其在飞行过程中受到的空气阻力，以及由空气阻力对弹道导弹产生的稳定力矩。考虑到在飞行过程中导弹的震动、转动等运动而引起连接部件温度的变化以及由温度变化而引起的结构内部应力场的变化，所以将由空气阻力产生的稳定力矩和由温度变化产生的应力综合考虑在一起，应用ANSYS8.0软件对中心管中连接部位的结构强度进行计算分析。本文工作对弹道导弹中心管的结构强度给出计算分析结果，对中心管的结构设计提供参考。
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