换热器应力分析报告
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热分析材料特性参数：
设计温度（℃） 300 300 220
温度载荷 （℃） 不考虑 不考虑 不考虑 考虑 考虑 考虑
许用应力强度 Sm（MPa） 114 85 93.6
泊松比 0.3 0.3 0.3
S30408
温度
20 ℃ 50 ℃ 150℃ 200 ℃ 250℃ 300℃ 350℃ 400℃
导热系数 10-3W/(mm·℃)
当 b0≥6.4mm 时 b=2.53 b0
10144612.4 N
86.7
mm
建模时垫片内径
1Hale Waihona Puke Baidu79.17
mm
螺栓作用环面内径
51
mm
操作状态下垫片接触 面压力
30.6
MPa 操作状态下螺栓作用环面等效力
59.7
MPa
预紧状态下垫片接触 面压力
68.97
MPa
遵循规范：《热交换器》GB/T 151-2014
W/(mm2·℃)
注 : 1. 钢 材 的 导 热 系 数 取 自 ASME Ⅱ -D ， 对 流 传 热 系 数 由 专 业 人 员 计 算 提 供 ， 其 余 材 料 常 数 取 自
GB150.1~150.4-2011。
压力容器分析报告
第 5 页 共 56 页
有限元计算软件：ANSYS 15.0
螺栓载荷 wp 建模时垫片外径
1506 24
8.94 69
10144612.4 1497.06
mm
接触内径
1458 mm
基本密封宽度
mm
12.5 mm
b0
垫片压紧力作
mm 用中心圆直径 1488.1 mm DG
MPa 垫片系数 m
3
N 操作状态下螺栓设计载荷 w=wp
mm
螺栓作用环面外径
当 b0≤6.4mm 时 b= b0
日期 Date 日期 Date 日期 Date 日期 Date
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有限元计算软件：ANSYS 15.0
中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心
目录
前言 ............................................................................................................................... 3 1.设计参数 .................................................................................................................... 4 2.计算工况 .................................................................................................................... 5 3.材料常数 .................................................................................................................... 5 4.结构简图 .................................................................................................................... 6 5.模型、加载、分析结果及应力评定 ....................................................................... 7 附录 ............................................................................................................................. 41
2.计算工况
管程压力 （MPa）
工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6
5.1 0 5.1 5.1/0.5 0 5.1/0.5
3.材料常数
壳程压力 （MPa） 0 1.6 1.6 0 1.6 1.6
许用应力和弹性模量
材料名称 S30408(壳体及换热管) S30408III(管板δ=250mm) S30408III(管板δ=250mm)
机械场（设计工况），再计算温度场，并将热应力与机械应力（操作工况）耦合。
a. 位移边界条件
下管板螺柱面（下方）施加轴向约束；结构纵向对称面施加对称约束。 b. 力学边界条件
Ⅰ. 温度载荷 （1）管程施加温度边界条件，温度为 210℃； （2）壳程施加温度边界条件，温度为 250℃； （3）壳程筒体外表面施加相应的空气对流边界条件 12e-6W/(mm2·℃)，环境温度 20 ℃。 Ⅱ. 机械载荷 结构应力分析： 工况Ⅰ（管程单独作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa。 工况Ⅱ（壳程单独作用）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98MPa。 工况Ⅲ（管、壳程同时作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa；
14.1
15.4
16.1
16.8
17.6
18.3
19.0 19.7
平均线膨胀系数 10-6mm/mm·℃
弹性模量（103MPa）
16.38 1.95
16.84 1.89
17.06 1.86
17.25 17.42 17.61 17.79 17.99
1.83
1.79
1.76
1.72
1.69
空气对流传热系数 12x10-6
预紧状态下螺栓作用环面等效力
16.98
MPa
设备名称
设计工况（下管板）
设计压力 pc
0.5
MPa
螺栓数量
n
44
个
接触外径
1506
mm
接触内径
1458 mm
垫 接触宽度 N
基本密封宽度
当 b0≤6.4mm 时
24
mm
12.5 mm
b0
b= b0
片 有效密封宽度 b
8.94
垫片压紧力作 mm 用中心圆直径 1488.1 mm
本分析报告中所有分析模型的基本结构参数、载荷工况及分析条件均取自 “换热器”施工图（图号：RG /01）。对设备的技术要求均已列入“换热器”施工图 （图号：RG /01）中，本报告不再赘述。
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1.45 1.6 250 300 230 S30408 0 导热油
上管箱：4.76 下管箱：0.09 上管箱：5.1 下管箱：0.5 210 300 230 S30408/ S30408III 0
聚合物溶液（聚丁烯、丁烯）
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4. 结构简图
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5.模型、加载、分析结果及应力评定
5.1 模型、边界、加载及分析结果 根据该结构及载荷特性，建立 1/4 结构模型。以设备中心线方向为 Z 轴，建立坐标系。先计算
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（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. 热应力耦合分析： 工况Ⅳ（管程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59. 7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85Mpa； （7）考虑温度场。 工况Ⅴ（壳程+温度载荷）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98Mpa； （4）考虑温度场。 工况Ⅵ（管、壳程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. （8）考虑温度场。
51
mm
操作状态下垫片接触
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前言
本分析报告仅适用于脱挥换热器（位号 HX-03）。采用 ANSYS15.0 软件进行分析 计算，热分析选用 Solid 70 单元，结构分析选用 Solid 185 单元，管板及筒体的应力分 类及评定按 JB4732-1995（2005 年确认）的方法进行，换热管的轴向应力及拉脱力按 GB/T 151-2014《热交换器》的相关规定进行评定。
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遵循规范：《热交换器》GB/T 151-2014
设备名称
设计工况（上管板）
设计压力 pc
5.1
MPa
螺栓数量
n
44
个
接触外径
垫 接触宽度 N 片
有效密封宽度 b
垫片比压力 y 操作状态需要的最小
1.设计参数
设计规范 Design code 数值计算方法 Numerical methods
《热交换器》GB/T 151-2014 《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009
有限元
壳程
管程
操作压力 MPaG Operating pressure 设计压力 MPaG Design pressure 工作温度 ℃ Operating temp. 设计温度 ℃ Design temp. 平均金属温度 ℃ Average temp 主体材质 Material 腐蚀裕量 mm Corrosion allowance 介质 FLUID
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ANSYS
应力分析报告
STRESS ANALYSIS REPORT
项目名称：
PROJECT
设备名称：脱挥换热器
EPUIPMENT
设备位号：HX-03
ITEM
图 号：
DWG No.
设计单位：中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司
DESIGNER
编制 Analyze 校核 Check 审核 Review 批准 Approve
DG
当 b0≥6.4mm 时 b=2.53 b0
垫片比压力 y
69
MPa 垫片系数 m
3
操作状态需要的最小
螺栓载荷 wp
994569.847 N 操作状态下螺栓设计载荷 w=wp 994569.847 N
建模时垫片外径
1497.06
mm
螺栓作用环面外径
86.7
mm
建模时垫片内径
1479.17
mm
螺栓作用环面内径
设计温度（℃） 300 300 220
温度载荷 （℃） 不考虑 不考虑 不考虑 考虑 考虑 考虑
许用应力强度 Sm（MPa） 114 85 93.6
泊松比 0.3 0.3 0.3
S30408
温度
20 ℃ 50 ℃ 150℃ 200 ℃ 250℃ 300℃ 350℃ 400℃
导热系数 10-3W/(mm·℃)
当 b0≥6.4mm 时 b=2.53 b0
10144612.4 N
86.7
mm
建模时垫片内径
1Hale Waihona Puke Baidu79.17
mm
螺栓作用环面内径
51
mm
操作状态下垫片接触 面压力
30.6
MPa 操作状态下螺栓作用环面等效力
59.7
MPa
预紧状态下垫片接触 面压力
68.97
MPa
遵循规范：《热交换器》GB/T 151-2014
W/(mm2·℃)
注 : 1. 钢 材 的 导 热 系 数 取 自 ASME Ⅱ -D ， 对 流 传 热 系 数 由 专 业 人 员 计 算 提 供 ， 其 余 材 料 常 数 取 自
GB150.1~150.4-2011。
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螺栓载荷 wp 建模时垫片外径
1506 24
8.94 69
10144612.4 1497.06
mm
接触内径
1458 mm
基本密封宽度
mm
12.5 mm
b0
垫片压紧力作
mm 用中心圆直径 1488.1 mm DG
MPa 垫片系数 m
3
N 操作状态下螺栓设计载荷 w=wp
mm
螺栓作用环面外径
当 b0≤6.4mm 时 b= b0
日期 Date 日期 Date 日期 Date 日期 Date
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目录
前言 ............................................................................................................................... 3 1.设计参数 .................................................................................................................... 4 2.计算工况 .................................................................................................................... 5 3.材料常数 .................................................................................................................... 5 4.结构简图 .................................................................................................................... 6 5.模型、加载、分析结果及应力评定 ....................................................................... 7 附录 ............................................................................................................................. 41
2.计算工况
管程压力 （MPa）
工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6
5.1 0 5.1 5.1/0.5 0 5.1/0.5
3.材料常数
壳程压力 （MPa） 0 1.6 1.6 0 1.6 1.6
许用应力和弹性模量
材料名称 S30408(壳体及换热管) S30408III(管板δ=250mm) S30408III(管板δ=250mm)
机械场（设计工况），再计算温度场，并将热应力与机械应力（操作工况）耦合。
a. 位移边界条件
下管板螺柱面（下方）施加轴向约束；结构纵向对称面施加对称约束。 b. 力学边界条件
Ⅰ. 温度载荷 （1）管程施加温度边界条件，温度为 210℃； （2）壳程施加温度边界条件，温度为 250℃； （3）壳程筒体外表面施加相应的空气对流边界条件 12e-6W/(mm2·℃)，环境温度 20 ℃。 Ⅱ. 机械载荷 结构应力分析： 工况Ⅰ（管程单独作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa。 工况Ⅱ（壳程单独作用）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98MPa。 工况Ⅲ（管、壳程同时作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa；
14.1
15.4
16.1
16.8
17.6
18.3
19.0 19.7
平均线膨胀系数 10-6mm/mm·℃
弹性模量（103MPa）
16.38 1.95
16.84 1.89
17.06 1.86
17.25 17.42 17.61 17.79 17.99
1.83
1.79
1.76
1.72
1.69
空气对流传热系数 12x10-6
预紧状态下螺栓作用环面等效力
16.98
MPa
设备名称
设计工况（下管板）
设计压力 pc
0.5
MPa
螺栓数量
n
44
个
接触外径
1506
mm
接触内径
1458 mm
垫 接触宽度 N
基本密封宽度
当 b0≤6.4mm 时
24
mm
12.5 mm
b0
b= b0
片 有效密封宽度 b
8.94
垫片压紧力作 mm 用中心圆直径 1488.1 mm
本分析报告中所有分析模型的基本结构参数、载荷工况及分析条件均取自 “换热器”施工图（图号：RG /01）。对设备的技术要求均已列入“换热器”施工图 （图号：RG /01）中，本报告不再赘述。
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1.45 1.6 250 300 230 S30408 0 导热油
上管箱：4.76 下管箱：0.09 上管箱：5.1 下管箱：0.5 210 300 230 S30408/ S30408III 0
聚合物溶液（聚丁烯、丁烯）
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4. 结构简图
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5.模型、加载、分析结果及应力评定
5.1 模型、边界、加载及分析结果 根据该结构及载荷特性，建立 1/4 结构模型。以设备中心线方向为 Z 轴，建立坐标系。先计算
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（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. 热应力耦合分析： 工况Ⅳ（管程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59. 7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85Mpa； （7）考虑温度场。 工况Ⅴ（壳程+温度载荷）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98Mpa； （4）考虑温度场。 工况Ⅵ（管、壳程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. （8）考虑温度场。
51
mm
操作状态下垫片接触
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前言
本分析报告仅适用于脱挥换热器（位号 HX-03）。采用 ANSYS15.0 软件进行分析 计算，热分析选用 Solid 70 单元，结构分析选用 Solid 185 单元，管板及筒体的应力分 类及评定按 JB4732-1995（2005 年确认）的方法进行，换热管的轴向应力及拉脱力按 GB/T 151-2014《热交换器》的相关规定进行评定。
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遵循规范：《热交换器》GB/T 151-2014
设备名称
设计工况（上管板）
设计压力 pc
5.1
MPa
螺栓数量
n
44
个
接触外径
垫 接触宽度 N 片
有效密封宽度 b
垫片比压力 y 操作状态需要的最小
1.设计参数
设计规范 Design code 数值计算方法 Numerical methods
《热交换器》GB/T 151-2014 《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009
有限元
壳程
管程
操作压力 MPaG Operating pressure 设计压力 MPaG Design pressure 工作温度 ℃ Operating temp. 设计温度 ℃ Design temp. 平均金属温度 ℃ Average temp 主体材质 Material 腐蚀裕量 mm Corrosion allowance 介质 FLUID
中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心
ANSYS
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STRESS ANALYSIS REPORT
项目名称：
PROJECT
设备名称：脱挥换热器
EPUIPMENT
设备位号：HX-03
ITEM
图 号：
DWG No.
设计单位：中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司
DESIGNER
编制 Analyze 校核 Check 审核 Review 批准 Approve
DG
当 b0≥6.4mm 时 b=2.53 b0
垫片比压力 y
69
MPa 垫片系数 m
3
操作状态需要的最小
螺栓载荷 wp
994569.847 N 操作状态下螺栓设计载荷 w=wp 994569.847 N
建模时垫片外径
1497.06
mm
螺栓作用环面外径
86.7
mm
建模时垫片内径
1479.17
mm
螺栓作用环面内径