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1、. . . . 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12 结构及其应力分析计算参数12.1 结构设计12.2 应力计算参数12.3 材料性能参数22.4 应力分析工况23 有限元分析33.1 第二级管板有限元分析33.1.1 上管板有限元分析33.1.2 第二级中间管板有限元分析113.2 第一级管板有限元分析183.2.1 第一级中间管板有限元分析183.2.2 下管板有限元分析334 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JB4732-199
2、5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：表1 换热器设计参数第一级第二级管程一管程二管程三壳程管程一管程二壳程设计压力/ MPa8880.5880.5设计温度/ C-150/60-150/60-150/6
3、0-150/60-150/60-150/60-150/60腐蚀裕量/mm0000000表2 主材材质构件名称件号材料圆筒-S30408锥壳-S30408管板-S30408中心筒-S30408换热管-50832.3 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 材料性能参数材料牌号温度（C）许用应力强度Sm（MPa）弹性模量E（MPa）泊松比S30408-1501372.06e50.3S304081375083677.1e40.332.4 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
4、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工况一仅壳程压力作用工况二仅管程一压力作用工况三仅管程二压力作用工况四管程一和管程二压力同时作用工况五壳程和管程一压力同时作用工况六壳程和管程二压力同时作用工况七壳程、管程一和管程二压力同时作用表5 第一级管板分析工况工况一仅壳程压力作用工况二仅管程一压力作用工况三仅管程二压力作用工况四仅管程三压力作用工况五管程一和管程二压力同时作用工况六管程一和管程三压力同时作用工况七管程二和管程三压力同时作用工况八管程一、管程二和管程三压力同时作用工况九壳程和管程一压力同时作用工况十壳程和管程二压力同时
5、作用工况十一壳程和管程三压力同时作用工况十二壳程、管程一和管程二压力同时作用工况十三壳程、管程一和管程三压力同时作用工况十四壳程、管程二和管程三压力同时作用工况十五壳程、管程一、管程二和管程三压力同时作用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
6、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
7、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(2005确认)进行应力强度评定。主应力差： S12=1-2 S23=2-3 S31=3-1应力强度：S=Ma
8、x|S12|,|S23|,|S31|一次总体薄膜应力强度极限为，一次局部薄膜应力强度极限为1.5，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5，一次加二次应力强度极限为3.0。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，强度条件，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，强度条件，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，强度条件，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，强度条件，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17
9、0.4MPa，小于，强度条件，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，强度条件，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路径应力分类强度校核评定结果1-1一次局部薄膜应力通过一次+二次应力2-2一次局部薄膜应力一次二次应力3-3一次局部薄膜应力一次二次应力3.1.2 第二级中间管板有限元分析
10、3.1.2.1 实体模型由于第二级中间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、第二级中间管板、补强圈、焊缝、换热管和锥壳，壳程圆筒、锥壳长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1500mm，锥壳长度为1200 mm，同时取伸出管板的换热管长度为100mm。创建实体模型如图6所示。图6 实体模型3.1.2.2 有限元模型 采用8节点SOLID185单元对第二级中间管板实体模型进行网格划分，管板、补强圈与筒体连接处网格划分较密，划分后的有限元模型如图7所示，有限元模型合计节点数330794，单元数261204。图7 有限元模型3.1.2.3 边界条件 在位移边界条件处理上，
11、对第二级中间管板结构对称面施加对称约束，并约束壳程锥壳端面轴向位移，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、壳程压力和壳程圆筒端面平衡面载荷，同时考虑垫片力和螺栓载荷。在各工况下第二级中间管板结构的力学模型如图8所示。工况一 工况二工况三 工况四工况五 工况六工况七图8 不同工况下第二级中间管板结构的力学模型3.1.2.4 计算结果 各工况对应的TRESCA应力云图如图9.1至图9.7所示。图9.1 工况一模型总体TRESCA应力云图图9.2 工况二模型总体TRESCA应力云图图9.3 工况三模型总体TRESCA应力云图图9.4
12、工况四模型总体TRESCA应力云图图9.5 工况五模型总体TRESCA应力云图图9.6 工况六模型总体TRESCA应力云图图9.7 工况七模型总体TRESCA应力云图3.1.2.5 强度评定工况一：由图9.1可知，结构的当量应力最大值约为159.4MPa，小于，强度条件，自动满足。工况二：由图9.2可知，结构的当量应力最大值约为116.5MPa，小于，强度条件，自动满足。工况三：由图9.3可知，结构的当量应力最大值约为87.2MPa，小于，强度条件，自动满足。工况四：由图9.4可知，结构的当量应力最大值约为116.2MPa，小于，强度条件，自动满足。工况五：由图9.5可知，结构的当量应力最大值
13、约为177.4MPa，小于，强度条件，自动满足。工况六：由图9.6可知，结构的当量应力最大值约为157.3MPa，小于，强度条件，自动满足。工况七：由图9.7可知，结构的当量应力最大值约为175.2MPa，小于，强度条件，自动满足。3.2 第一级管板有限元分析3.2.1 第一级中间管板有限元分析3.2.1.1 实体模型 由于第一级中间管板结构和载荷的对称性，创建1/3实体模型，包括锥壳、第一级中间管板、补强圈、焊缝、换热管和壳程圆筒，壳程圆筒、锥壳长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1500mm，锥壳长度为1200 mm，同时取伸出管板的换热管长度为100mm。创建实体模型如图10所示。图10 实体模型3.2.1.2 有限元模型 采用8节点SOLID185单元对第一级中间管板实体模型进行网格划分，管板、
