高壓快冷器有限元分析報告

    該高壓快冷器是某機械有限公司設計開發部開發的一種新型結構換熱器，該設備的強度、上下管板與換熱管的焊接拉脫力、膨脹節允許變形量是關系到設備安全的重要指標之一，對換熱器關鍵部位進行有限元應力分析計算，計算內容：1）管板應力分析、強度校核與結構優化；（2）錐體上接管大開孔補強應力分析與強度校核；（3）膨脹節的伸縮量能否滿足管殼程的伸縮量的要求。工況條件按JB4732-2005《鋼制壓力容器—分析設計標準》、GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》、GB150-1998《鋼制壓力容器》等標準；強度按JB4732-2005《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行校核（許用應力取值按GB150）。主要考慮工作壓力、溫差載荷，分別對管程與殼程同時工作等3個工況的6種情況分別進行計算分析。結果表明：在計算工況下換熱器管板強度、開孔補強及膨脹節的變形量均滿足設計要求，

高壓快冷器主要由殼程、管程、管板、管箱和換熱管組成。管程流體采用錐體作為進出口，在錐體管箱上各開有一個人孔，其人孔中心線與水平線線呈3⁰的夾角，在人孔開孔區域采用補強圈補強。此高壓快冷器設計的創新點在于管板上換熱管的布管，換熱管的布管如圖1所示，由圖可知，換熱管布置在管板的外環區域，管板的中心區域并不布管。

圖1 高壓快冷器結構示意圖

圖2 換熱管的排布示意圖

圖3研究上管板強度問題的計算幾何模型

圖4 研究下管板強度問題的計算幾何模型

圖5  管孔補強分析的計算幾何模型

  管板分析模型的離散

根據計算任務和計算特點，采用實體單元solid45進行結構分析。上管板強度分析模型的離散化見圖4-6和圖4-7所示，共劃分540748個單元，1045544個節點。下管板強度分析模型的離散化見圖4-8和圖4-9所示，共劃分528566個單元，869541個節點。

本次高壓快冷器的有限元分析，主要技術特點如下：

?        模型建立及求解采用APDL(參數化設計語言)，便于模型的修改，為結構的優化改進提供便利；

?        分析類型為熱—機構耦合場分析，采用具有耦合自由的solid5單元進行結構的離散、求解；

?        網格全部采用六面體單元，該單元相比于四面體具有單元、節點數目少，求解(收斂)速度快等優點；

?        對于本次有限元分析，單元數目接近上百萬，采用PCG(預條件共軛梯度)求解器，該求解器特別擅長于處理大規模的有限元問題；

?         嚴格控制單元能量誤差，最大單元能量誤差不超過0.5%。

圖6 上管板強度分析模型的離散

圖7 上管板模型的離散

圖8 下管板強度分析模型的離散

   計算載荷及計算工況

    主要技術參數

高壓快冷器結構的參數如表所示。

表  快冷器主要技術特性表

名稱	殼程	管程
設計壓力/MPa	0.5	0.992
頂部最大工作壓力/MPa	0.4	0.92
設計溫度/0C	80	122
操作溫度/0C	30/40	90/45
容器類型	I(D1)

       計算工況(載荷及邊界條件)

       管板強度分析計算工況

根據快冷器運行時可能出現的狀況，管板強度分析確定3個工況6種情況11。

工況1：管程不工作，殼程內壓正常，計入膨脹變形差；

工況2：管程不工作，殼程內壓正常，不計膨脹變形差；

工況3：管程內壓正常，殼程不工作，計入膨脹變形差；

工況4：管程內壓正常，殼程不工作，不計膨脹變形差。

工況5：管程內壓正常，殼程內壓正常，計入膨脹變形差；

工況6：管程內壓正常，殼程內壓正常，不計膨脹變形差。

3種工況的位移邊界條件相同，即X=0和Y=0的面施加對稱約束，Z=0的面施加Z方向的位移約束。

對于換熱管與管板之間的約束情況如圖5-1所示。位于管板區域的換熱管共110mm，該段分為兩段，一段與管板焊接，采用管板與換熱管公用節點模擬，如圖中換熱管黑色段；一段與管板接觸，當換熱管膨脹時將對管板產生擠壓力，采用X、Y方向位移耦合的方法模擬。經反復仿真試驗，當工況1、3~6時，換熱管都會對管板產生擠壓力，二工況2時，換熱管不會對管板產生擠壓力。

圖9 工況1時換熱器的應力強度分布

圖10 工況1時換熱器管板的應力強度分布

圖11 應力評定路徑分布示意圖

圖12 路徑1應力強度曲線

圖12 路徑2應力強度曲線

按照前述工況分析，經分析計算，結果表明，管板、膨脹節、管板與換熱管的焊接結構合格，不需要改進。

錐體人孔按原圖補強校核不合格，經與委托方協商，將人孔接管、補強板厚度改為12mm，并對焊縫進行R=10mm的圓角處理，校核合格。

     根據委托方提供的換熱器結構圖紙建立的有限元計算模型，按照按JB4732-2005《鋼制壓力容器—分析設計標準》、GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》、GB150-1998《鋼制壓力容器》等標準進行載荷計算及計算工況的確定。計算結果表明，換熱器管板強度、開孔補強及膨脹節的變形量均滿足JB4732-2005《鋼制壓力容器——分析設計標準》規定的要求。