尾氣二次加熱器有限元分析報(bào)告

1                目的

本報(bào)告描述了尾氣二次加熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析，其內(nèi)容包括：

    ¨ 有限元簡(jiǎn)介及軟件選擇

¨ 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

    ¨ 有限元模型說(shuō)明

    ¨ 載荷工況及計(jì)算工況

¨ 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

    ¨ 計(jì)算結(jié)果分析

2               參考文獻(xiàn)

(1)GB150-1998《鋼制壓力容器》

(2)GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》

(3)JB4732-2005《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

(4)GB24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》

(5)GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》

(6)GB6479-2000《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》

(7)GB3531-2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》

3              結(jié)構(gòu)說(shuō)明

尾氣二次加熱器是某機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)換熱器。其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示，詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)某機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)圖紙。

尾氣二次加熱器主要由殼程、管程、管板、管箱和換熱管組成。管程流體采用錐體作為進(jìn)出口，在錐體管箱上各開(kāi)有一個(gè)人孔，其人孔中心線與換熱器軸心線呈30的夾角，在人孔開(kāi)孔區(qū)域采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。此尾氣二次加熱器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于管板上換熱管的布管，換熱管的布管如圖4-2所示，由圖可知，換熱管布置在管板的外環(huán)區(qū)域，管板的中心區(qū)域并不布管。

圖3-1 尾氣二次加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)尾氣二次加熱器的管板關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足之處以便修正設(shè)計(jì)，使尾氣二次加熱器結(jié)構(gòu)具有安全、可靠、耐用和經(jīng)濟(jì)等性能。

4               有限元分析

4.1         有限元分析策略

本次有限元分析主要是分析管板在多種工況下的強(qiáng)度及換熱管拉脫力的校核，因此首先需要對(duì)整個(gè)有限元分析進(jìn)行策略分析，包括如下內(nèi)容：

ü        分析類(lèi)型：分析類(lèi)型為熱—結(jié)構(gòu)耦合的靜力學(xué)分析；

ü        單元選擇：本次有限元分析模型最大、最小尺寸相差較大，箱體與換熱管本應(yīng)采用殼單元較為合理。但考慮到本次分析重點(diǎn)是要精細(xì)確定管板與換熱管焊接處的應(yīng)力分布。故全部采用實(shí)體單元，更能精確描述二者連接處應(yīng)力分布規(guī)律；

ü        分析工況確定：本次有限元分析確定6個(gè)工況即：同時(shí)考慮殼程和管程壓力(不計(jì)膨脹變形)、同時(shí)考慮殼程和管程壓力(計(jì)及膨脹變形)、只考慮殼程壓力(不計(jì)膨脹變形)、只考慮殼程壓力(計(jì)及膨脹變形)、只考慮管程壓力(不計(jì)膨脹變形)、只考慮管程壓力(計(jì)及膨脹變形)、

ü        采用合理的單位制：長(zhǎng)度單位采用mm、壓力采用MPa、溫度⁰C。

 

4.2         計(jì)算模型的確立

對(duì)于管板的強(qiáng)度問(wèn)題，主要考慮換熱管和殼程的熱膨脹程度不同因素，管程和殼程的壓力不同因素，管板內(nèi)外溫度差因素。根據(jù)所考慮因素以及尾氣二次加熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)尾氣二次加熱器計(jì)算模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

（1）在尾氣二次加熱器軸向方向截取筒節(jié)I到膨脹節(jié)的區(qū)段，不考慮筒體表面的附屬部件，且認(rèn)為膨脹節(jié)在管箱中間位置，則尾氣二次加熱器在軸向方向，以膨脹節(jié)位置上下對(duì)稱(chēng)；

（2）由于不考慮筒體外表面的附屬部件，根據(jù)換熱管的排布規(guī)律，尾氣二次加熱器為一對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量，建立對(duì)稱(chēng)模型1/4。

根據(jù)以上假設(shè)，建立研究管板強(qiáng)度問(wèn)題的計(jì)算模型如圖4.1-1所示。

圖4.1-1 研究管板強(qiáng)度問(wèn)題的計(jì)算幾何模型

4.3         分析模型的離散

根據(jù)計(jì)算任務(wù)和計(jì)算特點(diǎn)，對(duì)管板、箱體和換熱管換熱管采用結(jié)構(gòu)實(shí)體單元solid5進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。管板強(qiáng)度分析模型的離散化見(jiàn)圖5.3-1和圖5.3-2所示，共劃分406558個(gè)單元，728500個(gè)節(jié)點(diǎn)。 solid45單元質(zhì)量檢查如表5.1所示。

表5.1  網(wǎng)格質(zhì)量檢查

名稱(chēng)	Warn%(警告百分比)	Err%(錯(cuò)誤百分比)
Aspect Ratio(細(xì)長(zhǎng)比)	0.60 %	0.00 %
Jacobian Ratio(雅各比)	0.10 %	0.00 %
Warping Factor(翹曲比)	0.05 %	0.00 %
Parallel   Deviation(平行偏差)	0.04 %	0.00 %
Maximum Angle(最大內(nèi)角)	0.20 %	0.00 %

圖4.3-1分析模型的離散

圖4.3-2 管板模型的離散

5                計(jì)算載荷及計(jì)算工況

5.1         主要技術(shù)參數(shù)

尾氣二次加熱器結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表6.1所示。

表5.1  尾氣二次加熱器主要技術(shù)特性表

名稱(chēng)	殼程	管程
頂部最大工作壓力/MPa	0.92	0.92
操作溫度/0C	90/185	210/136
容器類(lèi)型	I(D1)

5.2         計(jì)算工況(載荷及邊界條件)

5.2.1        管板強(qiáng)度分析計(jì)算工況

根據(jù)尾氣二次加熱器運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的狀況，管板強(qiáng)度分析確定4個(gè)工況。同時(shí)在這三種危險(xiǎn)工況組合中分別對(duì)不計(jì)膨脹變形差和計(jì)入膨脹變形差進(jìn)行應(yīng)力校核。

工況1：管程與殼程同時(shí)工作，不計(jì)膨脹變形差；

工況2：管程與殼程同時(shí)工作，計(jì)膨脹變形差；

工況3：管程不工作，殼程內(nèi)壓正常，不計(jì)膨脹變形差；

工況4：管程不工作，殼程內(nèi)壓正常，計(jì)膨脹變形差；

工況5：管程內(nèi)壓正常，殼程不工作，不計(jì)膨脹變形差；

工況6：管程內(nèi)壓正常，殼程不工作，計(jì)膨脹變形差。

六種工況的位移邊界條件相同，即X=0和Y=0的面施加對(duì)稱(chēng)約束，Z=0的面施加Z方向的位移約束。

管板應(yīng)力評(píng)定路徑選擇如圖5.2.1-1所示，path1為穿過(guò)殼體厚度的路徑，path2為穿過(guò)與換熱管相連處管板厚度的路徑，而path3為穿過(guò)布管區(qū)管板厚度的路徑。

圖5.2-1 管板應(yīng)力評(píng)定路徑選擇示意圖

5.2.1.1       工況1分析結(jié)果：

工況1結(jié)果云圖包括：整體應(yīng)力強(qiáng)度、整體軸向位移、管板軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、path1線性化結(jié)果、path2線性化結(jié)果、path3線性化結(jié)果。

圖5.2-2 工況1整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖5.2-3工況1整體位移云圖

圖5.2-4工況1管板軸向應(yīng)力

圖5.2-5工況1換熱管軸向應(yīng)力

圖5.2-6工況1焊接處換熱管軸向應(yīng)力

圖5.2-7工況1 path1線性化結(jié)果