管壳式废热锅炉整体强度的有限元分析

管壳式废热锅炉整体强度的有限元分析1.朱柳娟2.蔡文忠(1.上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海200235;2.南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)摘要：管壳式废热锅炉整体强度计算具有相当的复杂性,其中管板强度和管板与管子连接强度显得尤为关键。通过建立锅炉整体结构的有限元分析模型,更加全面且贴切地表征了管板、管子分布以及管板与管子连接的真实结构,从而更加详尽而准确地反映了废热锅炉整体的应力应变分布,为科学合理地设计及优化废热锅炉提供了理论指导。关键词：废热锅炉;管板;连接;强度;有限元中图分类号：TK222文献标识码：A0前言管壳式废热锅炉(以下简称“废热锅炉”)作为一种热能利用或满足工艺要求而设置的重要设备,已经得到了广泛的应用[1]。但是,由于结构和载荷复杂,准确地进行废热锅炉整体强度分析是相当困难和复杂的。废热锅炉整体强度主要包括筒体、管板、管子以及管板与管子之间连接等强度,其中管板强度和管板与管子连接强度尤为关键。管板是废热锅炉的重要受力元件之一,它的强度设计直接关系到锅炉的安全性和经济性。管板强度的传统计算方法将管板简化为当量圆板[2],简化了筒体对管板周边的约束,因此无法确定管板受力变形的位移边界。同时由于忽略管孔的真实分布形式,而难以准确地给出管板局部位置详细的应力应变分布。为此,研究者致力于建立较为合理的管板结构及约束边界模型,借助有限元方法来研究管板强度[3~12],这在一定程度上弥补了传统简化计算方法对管板强度研究的不足。需要指出的是,这些研究[3~12]通常假设管子与管板之间是一体的,没有考虑它们之间的真实连接结构。但是国内外废热锅炉事故中,管子与管板连接部位的失效占相当大的比例,表明管子与管板的连接质量对整个系统的运行状态会产生重大影响。目前管子与管板连接质量的研究往往只考虑单根管子[13],未能综合考虑管子在管板上的分布形式、具体位置等,因此很难准确地给出管子与管板之间连接位置的局部应力应变分布,这必然导致对其连接强度计算的欠合理性。由此可见,一个更为准确、合理的废热锅炉整体强度研究必然要基于一个更为全面、贴切的废热锅炉真实结构模拟,尤其是对管板结构和管板与管子之间连接结构的准确模拟。本文采用ANSYS大型有限元计算软件,对1台废热锅炉换热器的整体结构强度进行全面的有限元计算,研究其整个应力应变分布情况,并将计算结果按照JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》(2005年确认)[14]进行评定,为揭示产品结构的薄弱环节、合理设计和优化方案提供了科学依据。1计算模型的建立采用ANSYS软件前处理程序对DN3200型废热锅炉进行建模。废热锅炉主体是由钢板和钢管通过焊接等加工工序制成的板壳结构。本文模型将全面考虑筒体对管板周边的约束、管束对管板的加强作用以及管板与管子之间的局部焊接结构。锅炉管板与管子的具体焊接结构如图1所示。因此,根据废热锅炉第一段结构和载荷性质,采用三维1/12管板对称且1/2管子轴向对称模型,实体模型见图2所示。需要说明的是,此次三维实体建模时,详细构建了管板和换热管的复杂结构,特别是管板与换热管之间的局部焊接结构,如图3所示。2有限元分析废热锅炉基本设计参数如下:设计压力:壳程4.5MPa,管程0.4MPa;设计温度:壳程290℃,管程343℃。主要受压元件材料:筒体材料SA—516—70,厚度75mm;管板材料16MnR,厚度28mm;换热管材料SA—106B,88.9mm×7.62mm　。为了更真实地模拟废热锅炉整体的应力状态,模型全部采用实体单元(8节点六面体单元)进行网格划分。鉴于复杂结构会导致后续有限元计算所得应力应变分布存在明显的不均匀,因此管板和换热管结构以及它们之间的连接焊缝,均需要进行网格细划,从而确保计算结果可以准确地体现结构局部应力应变集中。有限元模型见图4和图5,单元和节点总数分别为39398和56520。约束条件如下:位移边界条件:对称模型的对称边界。压力载荷条件:筒体、管板和焊缝处施加内压4.5MPa,管子内施加内压0.4MPa。3计算结果讨论3.1应力应变分布通过有限元计算可以获得废热锅炉整体的应力应变分布。图6和图7分别给出了应力和应变云图。废热锅炉应力和应变局部最大部位分别在图6和图7所标注。由上述应力应变云图可见,管板中部管束区域的应力应变较为均匀,且数值小于管板周边无管束区域。这说明管束对管板的增强作用比较明显。同时由图8和图9可见,管板最大应力应变位置出现在管板周边无管束区域中心位置,表明此处受管子加强作用最弱,同时又受管板边缘与筒体连接部位的协调变形影响。但是,整体结构的局部应力应变最大值出现在管束外围某一换热管和管板的连接焊缝处,其值分别为231MPa和0.00159,如图10和图11所示。由此可见,在本文所分析的废热锅炉整体中以管板与管子的连接强度为最关键的考核因素,这也意味着,管板与管子的连接部位最容易出现失效而发生泄漏事故,最终导致生产停车。但是,在以往废热锅炉有限元计算中因侧重管板强度的计算而假设管子与管板的一体连接,这使得夸大了管子与管板之间的真实连接强度及管束对管板加强作用,以致低估了该处的应力应变值,结果容易导致对废热锅炉整体强度的设计和校核欠准确性。3.2应力分类与强度评定为了对具体结构进行强度评定,首先根据应力分布规律在适当的区域选取应力处理线,对位于处理线上各点的同类应力分量进行曲线拟合,并对拟合曲线进行线性化处理,分解出各自的薄膜应力(平均应力)、弯曲应力和峰值应力(非线性应力)。然后计算其主应力和应力强度,依据JB4732—1995作出强度评定[14]。由于废热锅炉筒体及换热管一次总体薄膜应力的设计与校核较为简单且在本次计算中均符合强度要求,因此不再赘述。由此可见,废热锅炉整体强度主要由结构局部位置的一次局部薄膜应力以及一次应力和二次应力之和所决定。由上述应力应变分布图可知,本文废热锅炉的最大局部应力应变出现在管板与管子连接焊缝处,所以对此最大应力位置沿焊缝厚度方向作线性化处理路径来进行应力分类并校核强度是评定废热锅炉整体强度的关键。该线性化路径如图12所示,相应的应力分类结果由图13可见。按照分析设计法,决定锅炉整体强度的危险区域(管板与管子连接焊缝最大应力位置)的具体评定结果如表1所列。这里焊缝材料的许用应力取125MPa。可知该废热锅炉强度是足够的。4结语本文采用ANSYS大型有限元计算软件,对1台废热锅炉的整体结构强度进行了全面的有限元计算,研究了其整体应力应变分布情况,并进行相应的强度评定,结果表明:(1)以往有限元模型仅侧重管板强度的模拟计算,而简化了管板与管子之间的真实连接结构,这对于废热锅炉整体强度的设计校核是远远不够的。(2)管板与管子的连接强度有可能正是决定废热锅炉整体强度的关键环节,其重要性甚至胜于管板强度,因此合理的管板与管子连接结构的模拟计算在确定废热锅炉整体强度时不容忽视。管板与管子的连接质量显著影响着废热锅炉的可靠性和使用寿命。(3)基于废热锅炉整体结构的有限元分析模型,更加全面且贴切地表征了管板和管板与管子连接的真实结构,从而更加详尽而准确地反映了废热锅炉整体的应力应变分布,为科学合理地设计及优化废热锅炉提供了理论指导。(4)随着有限元技术的进步,采用有限元技术,可以完成锅炉和压力容器等设备的常规设计方法不能完成的工作,使工程设计更趋科学合理化,有利于工程技术人员科学完成设备及其零部件的设计、制造和返修。参考文献[1]古大田,方子风.废热锅炉[M].北京:化学工业出版社,2002.[2]GB151—1999钢制管壳式换热器[S].[3]陈罕,周昆颖,程瑞琳.蒸发器环形管板式应力的有限元分析[J].北京化工大学学报,1995,22(1):44-48.[4]侯佐岗,李锋,陆楞严.热水锅炉管板有限元分析[J].工业锅炉,1997(2):10-13.[5]马永其,陈罕,李斯特.面向对象的固定管板换热器有限元应力分析系统[J].计算机与应用化学,2001,18(1):47-51.[6]侯佐岗,张雄,张莉.锅炉管板、烟管受力分析[J].大连大学学报,2002,23(2):35-38.[7]刘雪东,何云松,巢建伟.废热锅炉换热器管板结构有限元分析研究[J].锅炉技术,2004,35(5):54-57.[8]何云松,刘雪东,巢建伟.废热锅炉管板结构两种有限元模型分析比较[J].石油化工设备技术,2004,25(3):34-36.[9]张红才.第一废热锅炉管板强度的有限元分析[J].压力容器,2004,21(9):22-24.[10]胡锡文,林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析[J].压力容器,2004,21(10):26-28.[11]刘海亮,于洪杰,徐鸿,钱才富.采用实体模型的厚管板的有限元分析[J].石油化工设备技术,2005,26(3):1-5.[12]王维慧,胡光忠,曾涛.基于COMOSWORKS软件的固定管板式换热器应力分析方法[J].压力容器,2006,23(6):21-24.[13]侯权,潘红良,蔡丽安.换热器管子与管板液压胀合有限元ANSYS分析研究[J].现代机械,2004,(6):10-12.[14]JB4732—1995钢制压力容器———分析设计标准(2005年确认).