换热器热工计算化工管道应力分析化工设备仿真分析

换热器热工计算化工管道应力分析化工设备仿真分析Ourteamhas20members,whograduatedfromZhejianguniversity,Tianjinuniversity,EastChinauniversityofscienceandtechnology,Nanjinguniversityoftechnology,Beijinguniversityofchemicalindustry.Theyallhavemaster’sdegreeandsomeofthemevenhavedoctor’sdegree.Theyworkinlargeforeign-ownedenterprise,InstituteofchemicalequipmentdesignanduseCAEsimulationsoftwareskillfully,suchasANSYS,ABAQUS,FLUENT,CAESAR.Theycansolvetheforceanalysis,strengthcheckingandreliabilityanalysisofchemicalequipment,andsuccessfullycompletedforceanalysisandstrengthcheckingofchemicalequipmentformorethan10companies.Welcometocontactourteamifyouhavethisproblems.OurQQnumberisseven-five-seven-one-four-seven-one-three-fiveandTELnumberisone-five-one-five-six-zero-seven-one-zero-seven-seven.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.....................................................................................................................................521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：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/ºC-150/60-150/60-150/60-150/60-150/60-150/60-150/60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--S30408Ⅳ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（ºC）许用应力强度Sm（MPa）弹性模量E（MPa）泊松比μS30408Ⅳ-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：S12=σ1-σ2S23=σ2-σ3S31=σ3-σ1应力强度：S=Max{|S12|,|S23|,|S31|}一次总体薄膜应力强度极限为mS，一次局部薄膜应力强度极限为1.5mS，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5mS，一次加二次应力强度极限为3.0mS。mS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MPaSm5.2055.1，强度条件mIISS5.1，mIVSS3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MPaSm5.2055.1，强度条件mIISS5.1，mIVSS3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MPaSm5.2055.1，强度条件mIISS5.1，mIVSS3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MPaSm5.2055.1，强度条件mIISS5.1，mIVSS3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170.4M