固定管板式换热器管板强度的有限元分析_曹海兵

第46卷第3期2009年6月化　工　设　备　与　管　道P R O C E S SE Q U I P M E N T ＆P I P I N G V o l .46　N o .3J u n .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G B 151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(200m m )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150m m ,并依据J B 4732《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:T Q 050.3文献标识码:A文章编号:1009-3281(2009)03-0004-04F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f T u b e s h e e t i n F i x e dT u b e s h e e t H e a t E x c h a n g e rC A O H a i -b i n g ,　J I A N G N a n(R e s e a r c hI n s t i t u t e o f P r o c e s s E q u i p m e n t ,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,G u a n g z h o u 510640,C h i n a )A b s t r a c t :　A c o o l e r w a s d e s i g n e d i na c c o r d a n c e w i t ht h e m e t h o d f r o mG B 151.B u t ,i t w a s f o u n d l a t e r t h a t t h e t u b e s h e e t w a s t o o t h i c k (t h et h i c k n e s s w a s 200m m )t o s a t i s f y t h e p r o c e s s r e q u i r e m e n t s .T o r e a c h t h e r e q u i r e m e n t s b o t hf r o m s t r e n g t ha n dp r o c e s s ,b yu s i n g f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e ,t h e t u b e s h e e t w a s c a l c u l a t e da n da n a l y z e d .T h e n ,t h e t h i c k n e s s o f t h i s t u b e s h e e t w a s r e d u c e dt o 150m m ,w h i c h w a s s a t i s f i e dw i t ht h e s a f e t yr e q u i r e m e n t s f r o m t h e s t a n d a r d J B 4732.K e y w o r d s :　f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ;s t r e s s a n a l y s i s ;t u b e s h e e t收稿日期:2009-01-03;　修回日期:2009-02-12作者简介:曹海兵(1984—),男,广东乐昌人,硕士研究生。

主要研究方向:过程装备节能与可靠性研究。

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[1](管程压力单独作用)的应力进行了分析和讨论。

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　参数数值管板厚度/m m 150法兰公称直径/m m 1050壳体厚度/m m 10换热管外径/m m 19换热管壁厚/m m 2.5换热管孔数650螺栓个数20螺栓孔直径/m m 60筒体内径/m m700管程压力/M P a 16壳程压力/M P a 2管程入口侧温度/℃32壳程入口侧温度/℃70管程出口侧温度/℃411　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[2],简化时考虑以下几个因素:(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 ≥2.5R t 。

管子须保留的外伸长度为ΔL ≥2.59.5×2.5=12.2m m ,壳体须保留的外伸长度为ΔL ≥2.5350×10=148m m ,本文中取管子在壳程相对于管板的外伸长度为150m m ,壳体相对于管板的外伸长度为250m m 。

(3)管板通过建立管板面,进行拖拉实现模型的建立[3]。

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　材料特性数据项目管板换热管筒体材料16M n 锻1016M n R 弹性模量/M P a 203000191355191685泊松比0.30.30.3许用应力/M P a1501121701.2　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S o l i d 45,S o l i d 45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。

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 1;在垫片接触面上施加沿垫片均布的垫片压力P 2;将管板和壳体接触端固定;换热管内表面及管板管程端面施加管程压力P t =16M P a ,载荷情况如图2所示。

螺栓力的加载有预紧状态和操作状态[4],本文中取操作状态情况进行分析。

按照G B 150中的规定,操作状态下需要的最小螺栓载荷为:W p =F+F p =0.785D 2G P t +6.28D G b m P t式中　D G ———垫片压紧力作用中心圆直径;　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 =52.4M P a 。

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W p /20=539286.2N ,因此加载时以190.8M P a 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102.7M P a 。

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。

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。

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298M P a ,发生在筒体与管板的连接处。

为了分析结构各部分的·5·2009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应力情况,选取四条路径p a t h 1,p a t h 2,p a t h 3,p a t h 4(如图4所示)进行分析。

其中,p a t h 1和p a t h 3位于管板与筒体的连接处,为结构不连续处。

p a t h 2和p a t h 4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。

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197.1M P a ,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p a t h 5,p a t h 6。

路径的起点均在管箱侧,终点在壳程侧。

P a t h 5,p a t h 6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 L 和一次应力加二次应力P L +P b +Q 。

3.3　有限元结果强度评定按照J B 4732—1995《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,如图4、6所示,分别对各路径上的不同类型的应力强度进行校核,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6　路径示意图及路径局部放大图(下转第18页)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。

图8　波纹板敏化前后的金相组织5　结束语(1)此类结构的换热板在运行环境中由于热应力达到400～500M P a ,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。