CB1502绕管式换热器管板应力分析与强度评定有限元分析报告

CB1502绕管式换热器管板应力分析

与强度评定

有限元分析报告

目录

1 概述 (1)

2 结构及其应力分析计算参数 (1)

2.1 结构设计 (1)

2.2 应力计算参数 (1)

2.3 材料性能参数 (2)

2.4 应力分析工况 (2)

3 有限元分析 (3)

3.1 第二级管板有限元分析 (3)

3.1.1 上管板有限元分析 (3)

3.1.2 第二级中间管板有限元分析 (11)

3.2 第一级管板有限元分析 (18)

3.2.1 第一级中间管板有限元分析 (18)

3.2.2 下管板有限元分析 (33)

4 结论 (50)

附录一 (51)

附录二 (52)

1 概述

针对换热器CB1502管板结构，利用有限元分析软件ANSYS13.0对局部结构进行应力分析，并按照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005确认）的要求进行应力强度评定。报告中所有材料参数参照GB150-2011《压力容器》。

上管板、第一、二级中间管板厚度均为150mm，下管板厚度为200mm，分别建立第二级管板与第一级管板有限元模型。其中，第二级管板包括上管板和第二级中间管板，第一级管板包括第一级中间管板和下管板。

2 结构及其应力分析计算参数

2.1 结构设计

换热器总体结构见附录一。

2.2 应力计算参数

该换热器的设计参数如表1所示：

2.3 材料性能参数

主要材料在设计温度下的力学性能参数见表3：

表3 材料性能参数

2.4 应力分析工况

鉴于该换热器的结构和工况较为复杂，本报告按表4所示的七种工况对设备的第二级管板进行应力分析，并作相应的强度评估；按表5所示的十五种工况对第一级管板进行应力分析与强度评定，从理论上确定此设计方法的安全性和可靠性。

表4 第二级管板分析工况

表5 第一级管板分析工况

3 有限元分析

3.1第二级管板有限元分析

3.1.1 上管板有限元分析

3.1.1.1 实体模型

由于上管板结构和载荷的对称性，创建1/4实体模型，包括壳程圆筒、锥壳、上管板、中心筒和换热管，壳程圆筒长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1200mm，同时取伸出管板的换热管长度为100mm，中心筒长度为400mm。创建实体模型如图1所示。

图1实体模型

3.1.1.2有限元模型

采用8节点SOLID185单元对上管板实体模型进行网格划分，其中，锥壳、中心筒及换热管沿轴向靠近管板处网格较密，远离管板处网格较稀疏，且圆筒与锥壳连接处网格划分较密。划分后的有限元模型如图2所示，有限元模型合计节点数170924，单元数123220。

图2 有限元模型

3.1.1.3边界条件

在位移边界条件处理上，对上管板结构对称面施加对称约束，并约束圆筒端面轴向位移，七种工况下的位移边界条件保持一致。

根据不同的分析工况，施加相应的载荷，其中包括管程一压力、管程二压力和壳程压力，同时考虑垫片力和螺栓载荷。在各工况下上管板结构的力学模型如图3所示。

工况一工况二

工况三工况四

工况五工况六

工况七

图3 不同工况下上管板结构的力学模型

3.1.1.4 计算结果

各工况对应的TRESCA应力云图如图4.1至图4.7所示。

图4.1 工况一模型总体TRESCA应力云图

图4.2 工况二模型总体TRESCA应力云图

图4.3 工况三模型总体TRESCA应力云图

图4.4 工况四模型总体TRESCA应力云图

图4.5 工况五模型总体TRESCA应力云图

图4.6 工况六模型总体TRESCA应力云图

图4.7 工况七模型总体TRESCA 应力云图

3.1.1.5 强度评定

根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计规范》(2005确认)进行应力强度评定。

主应力差： S 12=σ1-σ2

S 23=σ2-σ3

S 31=σ3-σ1

应力强度：S=Max{|S 12|,|S 23|,|S 31|}

一次总体薄膜应力强度极限为m S ，一次局部薄膜应力强度极限为1.5m S ，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5m S ，一次加二次应力强度极限为3.0m S 。m S 为许用应力强度。

工况一：由图 4.1可知，结构的当量应力最大值约为99.4MPa ，小于

M P a S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，

m IV S S 3<自动满足。 工况二：由图 4.2可知，结构的当量应力最大值约为87.0MPa ，小于

M P a S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，

m IV S S 3<自动满足。 工况三：由图 4.3可知，结构的当量应力最大值约为65.3MPa ，小于

MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。

工况四：由图 4.4可知，结构的当量应力最大值约为144.6MPa ，小于

MP a S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，

m IV S S 3<自动满足。 工况五：由图 4.5可知，结构的当量应力最大值约为170.4MPa ，小于

MP a S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，

m IV S S 3<自动满足。 工况六：由图 4.6可知，结构的当量应力最大值约为156.4MPa ，小于

MP a S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，

m IV S S 3<自动满足。 工况七：由图4.7可知，结构的当量应力最大值约为208.7MPa ，位于上管板与锥壳连接处内侧，根据该模型的应力分布特点，选取如下路径进行应力评定，位置如图5所示。

图5 工况七应力评定路径图

路径1-1至路径3-3应力线性化结果分析如表6所示，其应力评定数值结果见附录二。

表6 工况七各路径评定结果