U型管式废热锅炉大开孔结构的应力分析设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
类，所得结果验证 了设计方案的可行性 。 ［ 关键词］废热锅炉；大开孔结构；应 力分析；结构一热耦合
目前 压 力 容 器 及 其 部 件 的 设 计 可 分 为 基 于 弹 性 失 效 准 则 的 “ 则 设 计 （ ｓｇ ｙ Ｒ ｌ） 规 Ｄｅ ｉ ｎｂ ｕ ｅ ” 和 基 于 塑 性 失 效 准 则 的 “ 析 设 计 （ ｓｇ ｙ 分 Ｄｅ ｉｎ ｂ
对 图２ 示 的分 析 模 型 ，采 用 ＡＮＳ 软 件 中 所 ＹＳ Ｓ ＬＤ ０ Ｏ Ｉ ７ 单元，编写了Ａ Ｄ 命令流程序 ，利用扫 ＰＬ 掠与 映射 方式 划分 的 网格如 图３ 示 。 所
过 程 为 ： 先 分 析 图３ 示 模 型 的温 度 场 ， 并 保 存 所 节 点 温 度 文件 ，然 后 将 Ｓ Ｉ ０ 元转 换 成 结 构 ＯＬＤ７ 单 单 元 Ｓ Ｉ ８ 单 元 ，输 入 材 料 的相 关 性 能 参 数 ＯＬ Ｄ１ ７ 如 弹 性 模 量 、 泊 松 比、热 膨 胀 系 数 ，施 加 压 力 载 荷 的 同时 读 入 节 点温 度 文 件 ，即 将节 点温 度 施 加 到 每 个 节 点 上 ， 再进 行 分 析 求 解 ，该求 解 方 式 在 Ａ ＹＳ ＮＳ 软件 中称 为间接 耦合求 解【。 ６ 】 通 过 采 用 上 述 求 解 过 程 ，可得 到废 热 锅 炉 合 成 气进 出 口结构 的温 度场 和 热应 力 如 图４ 示 ，蒸 所 汽 出 口的组合 应 力和 位 移如 图５ 所示 ，限于 篇幅 ， 这 里没有 显 示所有 的分 析结 果 。 在 应 力 分 析 设 计 中 ，应 当对 不连 续 区域 进 行 应 力 评 判 ，图６ 图７ 、 显示 了两 个 分 析模 型 中 的应 力 评 判 位 置 。通 过对 分 析 结 果 进 行 线性 化 处 理 ， 得 到 的评 判 结果如 表 １ 表２ 和 所示 。
１５ ５ ６ １５ ５８ ２０ ９ ０
得 结果验证 了废热锅炉开孔结构设计 的可行性 ， 同 时也为类 似压 力容器 的设 计提供 了参考 。 １ 废热锅 炉的结构型式
图 １ 示 为废 热 锅 炉 的 结 构 示 意 图 ， 已知 管 所 箱 的 直 径 为 Ｃ １５ ｍｍ， 合 成 气 进 口开 孔 尺 寸 为 Ｏ ７０ ①９ ０ ９ ｍｍ，合成 气 出 口开孔 尺 寸 为 ７ ０ ７ ｍｍ，蒸 汽 出 口的开 孔尺 寸为 Ｃ１２ｍｍ，而 壳程大 端 的尺 Ｏ ５０ 寸 为 ①２ ０ ｍｍ，其 中合 成气进 出 口和 蒸汽 出 口的 ６０ 开 孔 尺 寸大 于 压 力 容 器规 范 的设 计 要 求 ，采 用 常 规 设计方 法 已不能满 足其 工作要 求 。 该 废 热 锅 炉 的 相 关 工 艺 参 数 为 ： 管 程 的 设 计 压 力 １ ．ＭＰ ，工 作 压 力 ｌ ．ＭＰ ，温 度 载 荷 ６８ ａ ５６ ａ ３ ５ ， 壳 程 的 设 计 压 力 ６０ Ｐ ， 工 作 压 力 为 ８℃ ．Ｍ ａ ４１ ａ ． ＭＰ ，温 度载 荷２ ５ 。 ７℃
图１ 废热锅炉结构 示意 图
２ 建立分析模型
由于废热锅炉在工作中要承受高温、高压，在 对其开展应力分析设计时，必须考虑温度应力对其 结构的影响，即要开展结构—热 耦合分析 。根据废
热 锅炉 结构 的对 称性 与分析 工况 ，建立 的有 限元 分
析模型及其载荷和热边界条件如图２ 所示。
Ａ ＹＳ 件 中的ＡＰ Ｌ ＮＳ 软 Ｄ 命令 流 方式 ，对 大 于 “ １ 容 规 ”设 计 要 求 的 开孔 结 构 进 行 应 力分 析 设 计 ，所
Ａｎ ｌｓ ） 。其 中 分析 设 计 不 仅 能够 解 决 压 力 容 ａｙｉ ” ｓ 器 常 规 设 计 所 不 能 解 决 的 问题 ，而 且 代 表 了 近 代 设 计 的先 进 水 平 ［。 随着 国 家 节 能减 排 战 略 方 １ １ 针 的提 出 ，国家对 化工 企业 的废热 利用 提 出 了 更 高 要 求 。 而 化 工 设 备 的 大 型 化 ， 使 得 废 热 锅 炉 为 达 到 工 艺 要 求 ，在 其 设 计 中 某 些 部 件 的 设 计 可 能 会 超 过ＧＢｌ １１９ 《 壳式 换 热 器 》［或 ５ ．９ ９ 管 ２ ＧＢｌ ０１ ｌ０４２ １ 《 定式 压 力 容 器 （ 求 意 ５ ．～ ５ ．．０ ０ 固 征 见稿 ）》 ［的规 定 ，从 而 必须 要 采用 Ｊ ４ ３ ．９ ５ ３ Ｂ ７ ２１ ９ 《 制压 力容 器一 分析 设计 标准 》 ［ 其进 行 应力 钢 ４ 对 分析 设计 。 为某 公 司生 设计 的一 台Ｕ型管式 废热 锅炉 ， 由 于 工 艺 条件 要 求 ，其 中合成 气 进 出 口及 蒸汽 出 口 的开孔 大 于压 力 容 器 规 范 的设 计 要 求 ，本 文 利用
１ 一 ■ 论文广场 ４
一
２ ２ 第５ 石ｌ 化１ 备 ０ 和 工卷 油年 设
Ｕ 型管式废热锅炉大开孔结构 的应力分析设计
张春娥
（ 湘潭锅炉有限责任公司 ，湖南 湘潭 ４ ０ ） １ ２ ２ １
［ 要］ 本文对 某企业的Ｕ 摘 型管式废 热锅炉中大开孔结构 ，利用Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ软件 ｑＡＤ 方式，建立 了结构一热耦合分析的有限元模 ｂ ＰＬ 型，通过分析计算得到 了相应模型的温度场分布和组合应力的分布规律 ，根据结构特点指定 了 力评判路径并进行 了应 力分 应
作者简 介 ：张春娥 （９ ６ １６ 一）， ，湖南湘潭人 ，１８ 年毕 女 ９６
业于湖 南湘 潭大 学 ，工程 师。 长期从 事锅 炉压 力容器 设计 和审 核工作 。
第１ 期
张春娥
Ｕ 型管式废热锅 炉大开孔结构 的应力分析设计
． ５． １
蒜浅出 Ｉ 箍钟 Ｓ ｉ
ｉ
ｊ ＿ ， 一 ｌ ： 一 ， ◆
ｒ
漳。 。
・
哆
●Ｉ
１ ’
： 毙程 辞滞翘嚣
（） 合 成 气 进 出 口 ａ
（） 蒸 汽 出 口 ｂ
图２ 有 限元分析模 型及其载荷 条件
其 中合 成气 进 出 口模 型 为管 箱对 应 位置 的 １ ，蒸汽 出 口模 型取蒸汽接管 的１ 模 型 ，并在 ／ ４ ／ ４ 对 称 面 上 施 加 对 称 约 束 ； 图 ２ 的Ｐ表 示 管 程 压 中 力 ，Ｐ为 壳 程 压 力 。对 于 热 分 析 ， 管箱 内施 加 管 。 程 对 流边 界条 件 ，通 过 计 算 得 到 其 对 流 换 热 系 数 为５８ ×１～Ｗ／ ．３ ０ （ ｍｍ． ；壳 程 与 蒸汽 接 管 内侧 施 ℃） 加 壳 程 对 流 边 界 条 件 ，其 对 流 换 热 系 数 ６０ ０ ．×１ ４ Ｗ／ （ ℃） ｍｍ． ；而 在废 热锅 炉 外侧 施加 自然对 流边 界 条件 ，其对流换热系数６ ×１ （ ｍ． 。 ． ０ Ｗ／ ０ ｍ ℃１
目前 压 力 容 器 及 其 部 件 的 设 计 可 分 为 基 于 弹 性 失 效 准 则 的 “ 则 设 计 （ ｓｇ ｙ Ｒ ｌ） 规 Ｄｅ ｉ ｎｂ ｕ ｅ ” 和 基 于 塑 性 失 效 准 则 的 “ 析 设 计 （ ｓｇ ｙ 分 Ｄｅ ｉｎ ｂ
对 图２ 示 的分 析 模 型 ，采 用 ＡＮＳ 软 件 中 所 ＹＳ Ｓ ＬＤ ０ Ｏ Ｉ ７ 单元，编写了Ａ Ｄ 命令流程序 ，利用扫 ＰＬ 掠与 映射 方式 划分 的 网格如 图３ 示 。 所
过 程 为 ： 先 分 析 图３ 示 模 型 的温 度 场 ， 并 保 存 所 节 点 温 度 文件 ，然 后 将 Ｓ Ｉ ０ 元转 换 成 结 构 ＯＬＤ７ 单 单 元 Ｓ Ｉ ８ 单 元 ，输 入 材 料 的相 关 性 能 参 数 ＯＬ Ｄ１ ７ 如 弹 性 模 量 、 泊 松 比、热 膨 胀 系 数 ，施 加 压 力 载 荷 的 同时 读 入 节 点温 度 文 件 ，即 将节 点温 度 施 加 到 每 个 节 点 上 ， 再进 行 分 析 求 解 ，该求 解 方 式 在 Ａ ＹＳ ＮＳ 软件 中称 为间接 耦合求 解【。 ６ 】 通 过 采 用 上 述 求 解 过 程 ，可得 到废 热 锅 炉 合 成 气进 出 口结构 的温 度场 和 热应 力 如 图４ 示 ，蒸 所 汽 出 口的组合 应 力和 位 移如 图５ 所示 ，限于 篇幅 ， 这 里没有 显 示所有 的分 析结 果 。 在 应 力 分 析 设 计 中 ，应 当对 不连 续 区域 进 行 应 力 评 判 ，图６ 图７ 、 显示 了两 个 分 析模 型 中 的应 力 评 判 位 置 。通 过对 分 析 结 果 进 行 线性 化 处 理 ， 得 到 的评 判 结果如 表 １ 表２ 和 所示 。
１５ ５ ６ １５ ５８ ２０ ９ ０
得 结果验证 了废热锅炉开孔结构设计 的可行性 ， 同 时也为类 似压 力容器 的设 计提供 了参考 。 １ 废热锅 炉的结构型式
图 １ 示 为废 热 锅 炉 的 结 构 示 意 图 ， 已知 管 所 箱 的 直 径 为 Ｃ １５ ｍｍ， 合 成 气 进 口开 孔 尺 寸 为 Ｏ ７０ ①９ ０ ９ ｍｍ，合成 气 出 口开孔 尺 寸 为 ７ ０ ７ ｍｍ，蒸 汽 出 口的开 孔尺 寸为 Ｃ１２ｍｍ，而 壳程大 端 的尺 Ｏ ５０ 寸 为 ①２ ０ ｍｍ，其 中合 成气进 出 口和 蒸汽 出 口的 ６０ 开 孔 尺 寸大 于 压 力 容 器规 范 的设 计 要 求 ，采 用 常 规 设计方 法 已不能满 足其 工作要 求 。 该 废 热 锅 炉 的 相 关 工 艺 参 数 为 ： 管 程 的 设 计 压 力 １ ．ＭＰ ，工 作 压 力 ｌ ．ＭＰ ，温 度 载 荷 ６８ ａ ５６ ａ ３ ５ ， 壳 程 的 设 计 压 力 ６０ Ｐ ， 工 作 压 力 为 ８℃ ．Ｍ ａ ４１ ａ ． ＭＰ ，温 度载 荷２ ５ 。 ７℃
图１ 废热锅炉结构 示意 图
２ 建立分析模型
由于废热锅炉在工作中要承受高温、高压，在 对其开展应力分析设计时，必须考虑温度应力对其 结构的影响，即要开展结构—热 耦合分析 。根据废
热 锅炉 结构 的对 称性 与分析 工况 ，建立 的有 限元 分
析模型及其载荷和热边界条件如图２ 所示。
Ａ ＹＳ 件 中的ＡＰ Ｌ ＮＳ 软 Ｄ 命令 流 方式 ，对 大 于 “ １ 容 规 ”设 计 要 求 的 开孔 结 构 进 行 应 力分 析 设 计 ，所
Ａｎ ｌｓ ） 。其 中 分析 设 计 不 仅 能够 解 决 压 力 容 ａｙｉ ” ｓ 器 常 规 设 计 所 不 能 解 决 的 问题 ，而 且 代 表 了 近 代 设 计 的先 进 水 平 ［。 随着 国 家 节 能减 排 战 略 方 １ １ 针 的提 出 ，国家对 化工 企业 的废热 利用 提 出 了 更 高 要 求 。 而 化 工 设 备 的 大 型 化 ， 使 得 废 热 锅 炉 为 达 到 工 艺 要 求 ，在 其 设 计 中 某 些 部 件 的 设 计 可 能 会 超 过ＧＢｌ １１９ 《 壳式 换 热 器 》［或 ５ ．９ ９ 管 ２ ＧＢｌ ０１ ｌ０４２ １ 《 定式 压 力 容 器 （ 求 意 ５ ．～ ５ ．．０ ０ 固 征 见稿 ）》 ［的规 定 ，从 而 必须 要 采用 Ｊ ４ ３ ．９ ５ ３ Ｂ ７ ２１ ９ 《 制压 力容 器一 分析 设计 标准 》 ［ 其进 行 应力 钢 ４ 对 分析 设计 。 为某 公 司生 设计 的一 台Ｕ型管式 废热 锅炉 ， 由 于 工 艺 条件 要 求 ，其 中合成 气 进 出 口及 蒸汽 出 口 的开孔 大 于压 力 容 器 规 范 的设 计 要 求 ，本 文 利用
１ 一 ■ 论文广场 ４
一
２ ２ 第５ 石ｌ 化１ 备 ０ 和 工卷 油年 设
Ｕ 型管式废热锅炉大开孔结构 的应力分析设计
张春娥
（ 湘潭锅炉有限责任公司 ，湖南 湘潭 ４ ０ ） １ ２ ２ １
［ 要］ 本文对 某企业的Ｕ 摘 型管式废 热锅炉中大开孔结构 ，利用Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ软件 ｑＡＤ 方式，建立 了结构一热耦合分析的有限元模 ｂ ＰＬ 型，通过分析计算得到 了相应模型的温度场分布和组合应力的分布规律 ，根据结构特点指定 了 力评判路径并进行 了应 力分 应
作者简 介 ：张春娥 （９ ６ １６ 一）， ，湖南湘潭人 ，１８ 年毕 女 ９６
业于湖 南湘 潭大 学 ，工程 师。 长期从 事锅 炉压 力容器 设计 和审 核工作 。
第１ 期
张春娥
Ｕ 型管式废热锅 炉大开孔结构 的应力分析设计
． ５． １
蒜浅出 Ｉ 箍钟 Ｓ ｉ
ｉ
ｊ ＿ ， 一 ｌ ： 一 ， ◆
ｒ
漳。 。
・
哆
●Ｉ
１ ’
： 毙程 辞滞翘嚣
（） 合 成 气 进 出 口 ａ
（） 蒸 汽 出 口 ｂ
图２ 有 限元分析模 型及其载荷 条件
其 中合 成气 进 出 口模 型 为管 箱对 应 位置 的 １ ，蒸汽 出 口模 型取蒸汽接管 的１ 模 型 ，并在 ／ ４ ／ ４ 对 称 面 上 施 加 对 称 约 束 ； 图 ２ 的Ｐ表 示 管 程 压 中 力 ，Ｐ为 壳 程 压 力 。对 于 热 分 析 ， 管箱 内施 加 管 。 程 对 流边 界条 件 ，通 过 计 算 得 到 其 对 流 换 热 系 数 为５８ ×１～Ｗ／ ．３ ０ （ ｍｍ． ；壳 程 与 蒸汽 接 管 内侧 施 ℃） 加 壳 程 对 流 边 界 条 件 ，其 对 流 换 热 系 数 ６０ ０ ．×１ ４ Ｗ／ （ ℃） ｍｍ． ；而 在废 热锅 炉 外侧 施加 自然对 流边 界 条件 ，其对流换热系数６ ×１ （ ｍ． 。 ． ０ Ｗ／ ０ ｍ ℃１