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基于ANSYS斜锥壳固定管板釜式重沸器有限元分析 |
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作者：高炳军 杨国政 董俊华 |
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摘 要：利用有限元程序自动生成系统（FEPG）开发了固定式管束釜式重沸器管板的参数化有限元计算程序。利用该程序及VAS-ANSYS接口程序对某台固定式管束釜式重沸器进行了应力分析。比较各工况的计算结果发现，斜锥壳对管板应力分布规律影响较大，壳程压力和温度载荷共同作用时是换热器的最危险工况，最大应力强度值的位置发生在热端管板与壳程筒体短节过渡圆弧连接处的外表面，且位于管板的最低点。
关键词：重沸器 有限元法 应力分析 应力评定 斜锥壳
斜锥壳固定管板釜式重沸器（图1）是精制对苯二甲酸生产装置中的一台重要设备，是一种带蒸发空间的卧式换热器，其壳程大、小筒体之间通常采用斜锥壳进行连接。此类换热器整体结构的上、下非对称性必然导致设备壳体的弯曲变形，这就要求在进行管板应力分析时必须考虑斜锥壳对管板应力分布规律的影响，同时管板及管束的存在对斜锥壳的应力分布规律亦有相应的影响。笔者利用ANSYS 软件的多种单元及其APDL 语言，对此类设备进行了参数化建模，实现了对斜锥壳、管板等部位的应力分析与计算。
1，9—管板；2，7－管箱；3，8－壳程筒体短节；4，6－斜锥壳；5－丝网除沫器；10－壳程筒体；11－换热管；N1－气体进口；N2－气体出口；N3－凝液出口；N4－凝液进口；N5－蒸汽出口；N6－人孔
图1 固定式管束釜式重沸器结构简图
2 有限元建模
斜锥壳固定管板釜式重沸器的设计参数见表1，主要几何尺寸见表2，结构简图及部分几何尺寸见图1。壳程材料为16MnR，管程材料为OCr17Ni12Mo2。表 1 设计参数
 表2 主要几何尺寸
 2.1 力学模型简化
由于设备主要分析部位是斜锥壳及管板与壳体连接区，故汽包、丝网除沫器、接管均可略掉。鞍座略掉，仅在其与设备连接部位保留相应的约束。管板按抗弯刚度等效简化为实心圆平板，管子简化为梁，折流板简化为桁架。
2.2 有限元建模
管板、管箱、斜锥壳、壳程大、小筒体均采用Solid45 单元，热分析是采用Solid70 单元，换热管及折流板桁架采用Beam188 单元，折流板与筒体间的连接使用Link10 单元（受压）。
2.2.1 管板的简化
根据等效实心圆平板理论，管板布管区采用实心板时，该区域的管板材料属性需采用有效弹性模量E*和有效泊松比，这样虽然管板布管区不建立出真实的管孔，但仍具有与真实管板等同的抗弯特性。管板非布管区仍具有原有的材料属性。根据管板厚度与孔间距比计算孔桥系数，并可由文献[2]查得有效弹性模量与材料实际弹性模量之比E*/E=0.38，有效泊松比ν=0.32。
由于管板采用了当量实心圆平板，而实际上管程侧管板是由换热管壁端面和管板净面积共同承压，管程压力为2.0MPa，可算得作用在当量实心圆平板管程侧布管区上的等效压力为1.52MPa。壳程侧管板由管板净面积承压，壳程压力为0.58MPa，作用在当量实心圆平板壳程侧布管区上的等效压力为0.38MPa。
为了得到当量实心圆平板管板布管区上下表面的温度，建立了管板换热管单元子模型进行热分析，图2是热端管板与换热管实际结构与有限元模型示意图。
各部位的对流传热系数如表3 所示。分析得到热端管板管程侧温度343.4℃，壳程侧温度161.3℃。冷端管板管程侧温度146.5℃，壳程侧温度214.9℃。表3 各部位对流传热系数
 2.2.2 换热管的简化
换热管受到内外压力时，会产生轴向的伸缩变形，产生泊松效应。对ANSYS188单元，用对换热管施加等效温度的方法，模拟换热管的泊松效应，即通过施加等效温度得到与泊松效应相同的轴向伸长量。等效温度计算公式为
2.2.3 热分析传热边界条件
热分析传热边界如图3所示，边界载荷见表4。
图3 重沸器热分析边界条件
表4 热分析边界载荷
 2.2.4 应力分析载荷及边界条件
管箱内表面、除布管区外的管箱侧管板施加管程压力，壳程筒体、斜锥壳、除管板布管区外的壳程管板施加壳程压力，管板布管区施加等效压力，管箱端部施加轴向平衡载荷。热应力计算直接读取热分析得到的节点温度，换热管施加平均温度175℃。与固定案作鞍座接触的筒体部位全约束，与活动鞍座接触的筒体部位约束垂直方向及横向的位移。
有限元模型中体单元56732 个，梁单元86586 个，link10 单元72 个。
2.3 工况及计算结果
对表 5 中的各工况进行了分析计算，发现工况6 为危险工况，其应力强度云图见图5。分析发现热端管板具有最大的应力强度值，且在热应力存在的工况4、5、6、7 中，热端管板的最大应力强度点位置均在管程侧管板与管箱连接的过渡区内壁，这是由于管、壳程构件自由变形不协调和该位置的结构不连续造成的。
几种工况下大小端锥壳均存在较高的应力强度。在有热应力存在的工况4、工况5、工况6、工况7下，锥壳小端过渡区具有较高应力强度，主要是由热应力在锥壳处引起的轴向拉伸引起的。在无热应力参与的工况2、工况3 下，锥壳大端过渡区具有较高应力强度值，主要由壳程压力在大端过渡区的边缘应力造成的。
分析发现热应力是管板产生最大应力强度的主要原因，对设备的安全起着至关重要的作用。自重和液柱静压力对设备的应力强度分布影响较小，可以忽略。对各种工况进行了应力强度评定，评定结果均通过。表5 载荷工况
 
图5 应力强度云图
3 结论
对斜锥壳固定管板重沸器进行了适当简化，利用ANSYS的多种单元及MPC技术，通过APDL语言实现了重沸器的参数化建模。在多种工况下对重沸器进行了应力分析，发现热端管板与管箱连接的过渡区、斜锥壳小端过渡区存在较大的热应力。在壳程压力作用下，斜锥壳的小端过渡区也存在较高的应力强度。而设备自重和液柱静压力对总应力强度影响很小，可以忽略。
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(8/3/2010) |
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