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基于ANSYS斜锥壳固定管板釜式重沸器有限元分析

作者:Simwe    来源:安世亚太    发布时间:2012-09-03    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

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。

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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
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表2 主要几何尺寸
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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。

 
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