1                目的

本报告描述了尾气二次加热器结构强度的计算分析，其内容包括：

    ¨ 有限元简介及软件选择

¨ 结构说明

    ¨ 有限元模型说明

    ¨ 载荷工况及计算工况

¨ 验收标准

    ¨ 计算结果分析

2               参考文献

(1)GB150-1998《钢制压力容器》

(2)GB151-1999《钢制管壳式换热器》

(3)JB4732-2005《钢制压力容器——分析设计标准》

(4)GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》

(5)GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》

(6)GB6479-2000《高压化肥设备用无缝钢管》

(7)GB3531-2008《低温压力容器用低合金钢钢板》

3              结构说明

尾气二次加热器是某机械有限公司开发的一种新型结构换热器。其主要结构示意图如图4-1所示，详细结构示意图见某机械有限公司设计图纸。

尾气二次加热器主要由壳程、管程、管板、管箱和换热管组成。管程流体采用锥体作为进出口，在锥体管箱上各开有一个人孔，其人孔中心线与换热器轴心线呈30的夹角，在人孔开孔区域采用补强圈补强。此尾气二次加热器设计的创新点在于管板上换热管的布管，换热管的布管如图4-2所示，由图可知，换热管布置在管板的外环区域，管板的中心区域并不布管。

图3-1 尾气二次加热器结构示意图

对尾气二次加热器的管板关键部位进行有限元分析，及时发现设计中的不足之处以便修正设计，使尾气二次加热器结构具有安全、可靠、耐用和经济等性能。

4               有限元分析

4.1         有限元分析策略

本次有限元分析主要是分析管板在多种工况下的强度及换热管拉脱力的校核，因此首先需要对整个有限元分析进行策略分析，包括如下内容：

ü        分析类型：分析类型为热—结构耦合的静力学分析；

ü        单元选择：本次有限元分析模型最大、最小尺寸相差较大，箱体与换热管本应采用壳单元较为合理。但考虑到本次分析重点是要精细确定管板与换热管焊接处的应力分布。故全部采用实体单元，更能精确描述二者连接处应力分布规律；

ü        分析工况确定：本次有限元分析确定6个工况即：同时考虑壳程和管程压力(不计膨胀变形)、同时考虑壳程和管程压力(计及膨胀变形)、只考虑壳程压力(不计膨胀变形)、只考虑壳程压力(计及膨胀变形)、只考虑管程压力(不计膨胀变形)、只考虑管程压力(计及膨胀变形)、

ü        采用合理的单位制：长度单位采用mm、压力采用MPa、温度⁰C。

4.2         计算模型的确立

对于管板的强度问题，主要考虑换热管和壳程的热膨胀程度不同因素，管程和壳程的压力不同因素，管板内外温度差因素。根据所考虑因素以及尾气二次加热器的结构特点，对尾气二次加热器计算模型进行如下简化：

（1）在尾气二次加热器轴向方向截取筒节I到膨胀节的区段，不考虑筒体表面的附属部件，且认为膨胀节在管箱中间位置，则尾气二次加热器在轴向方向，以膨胀节位置上下对称；

（2）由于不考虑筒体外表面的附属部件，根据换热管的排布规律，尾气二次加热器为一对称结构，为减少计算量，建立对称模型1/4。

根据以上假设，建立研究管板强度问题的计算模型如图4.1-1所示。

图4.1-1 研究管板强度问题的计算几何模型

4.3         分析模型的离散

根据计算任务和计算特点，对管板、箱体和换热管换热管采用结构实体单元solid5进行结构离散。管板强度分析模型的离散化见图5.3-1和图5.3-2所示，共划分406558个单元，728500个节点。 solid45单元质量检查如表5.1所示。

表5.1  网格质量检查

图4.3-1分析模型的离散

图4.3-2 管板模型的离散

5                计算载荷及计算工况

5.1         主要技术参数

尾气二次加热器结构的参数如表6.1所示。

表5.1  尾气二次加热器主要技术特性表

5.2         计算工况(载荷及边界条件)

5.2.1        管板强度分析计算工况

根据尾气二次加热器运行时可能出现的状况，管板强度分析确定4个工况。同时在这三种危险工况组合中分别对不计膨胀变形差和计入膨胀变形差进行应力校核。

工况1：管程与壳程同时工作，不计膨胀变形差；

工况2：管程与壳程同时工作，计膨胀变形差；

工况3：管程不工作，壳程内压正常，不计膨胀变形差；

工况4：管程不工作，壳程内压正常，计膨胀变形差；

工况5：管程内压正常，壳程不工作，不计膨胀变形差；

工况6：管程内压正常，壳程不工作，计膨胀变形差。

六种工况的位移边界条件相同，即X=0和Y=0的面施加对称约束，Z=0的面施加Z方向的位移约束。

管板应力评定路径选择如图5.2.1-1所示，path1为穿过壳体厚度的路径，path2为穿过与换热管相连处管板厚度的路径，而path3为穿过布管区管板厚度的路径。

图5.2-1 管板应力评定路径选择示意图

5.2.1.1       工况1分析结果：

工况1结果云图包括：整体应力强度、整体轴向位移、管板轴向应力、换热管轴向应力、path1线性化结果、path2线性化结果、path3线性化结果。

图5.2-2 工况1整体应力强度云图

图5.2-3工况1整体位移云图

图5.2-4工况1管板轴向应力

图5.2-5工况1换热管轴向应力

图5.2-6工况1焊接处换热管轴向应力

图5.2-7工况1 path1线性化结果

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