大型固定管板式换热器管板的有限元分析
|
摘要
管壳式换热器是化工、炼油等工业中广泛应用的典型工艺设备，管板是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件载荷的主要部件。在大直径的场合下，正确分析管板受力状态，对保证换热器安全运行和节约材料等起着非常重要的作用。
本论文建立了三维实体参数化管板模型；分析了管板模型的温度场分布规律，验证了ASME规范中表皮效应理论；分析了不同操作工况下管板模型的应力场，并按照JB4732—1995《钢制压力容器——分析标准》进行了强度分析和评定。强度分析结果表明：除了筒体上的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与筒体连接圆角过渡处的一次应力加二次应力，且最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用下的操作工况下；在壳程侧，管板在较薄的厚度内，存在较大的热应力，主要是由此处较大温度梯度而导致产生的，因此在管板强度计算中应该考虑管板表面温差引起的热应力。
本论文还分析了管板与筒体和管箱连接过渡圆角的大小对管板应力的影响。研究表明，适当增大圆角半径，能显著降低该位置处的峰值应力，较明显地改善此处的应力分布情况。
此外，本论文还建立了传统等效模型，比较了稳态操作工况下三维实体模型和传统等效模型的计算结果。结果表明：在非布管区两种
Shell and tube heat exchangers are typical process equipment widely used in petrochemical industries. Tubesheet is the most important part, which is used to connect shell, tube bundle and channel and bear pressure, temperature load and other loads. For a large tubesheet, performing stress analysis is especially useful for saving the material while keeping sufficient strength of the tubesheet.
In this paper, 3-D finite element solid parametrized model of tubesheet is established. Temperature distribution of the model is obtained, in which "skin effect theory" described in ASME code is verified. Stress field in the tubesheet is calculated and Strength is checked according to the JB4732-1998 standard. Results show that besides P_m (general primary membrane stress) of shell as a controlling factor, P_L+P_b+Q (primary stress plus secondary stress) located at the connecting fillet of tubesheeet and shell, also plays key role in the operating case of temperature load and shell side pressure. The thennal
本论文建立了三维实体参数化管板模型；分析了管板模型的温度场分布规律，验证了ASME规范中表皮效应理论；分析了不同操作工况下管板模型的应力场，并按照JB4732—1995《钢制压力容器——分析标准》进行了强度分析和评定。强度分析结果表明：除了筒体上的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与筒体连接圆角过渡处的一次应力加二次应力，且最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用下的操作工况下；在壳程侧，管板在较薄的厚度内，存在较大的热应力，主要是由此处较大温度梯度而导致产生的，因此在管板强度计算中应该考虑管板表面温差引起的热应力。
本论文还分析了管板与筒体和管箱连接过渡圆角的大小对管板应力的影响。研究表明，适当增大圆角半径，能显著降低该位置处的峰值应力，较明显地改善此处的应力分布情况。
此外，本论文还建立了传统等效模型，比较了稳态操作工况下三维实体模型和传统等效模型的计算结果。结果表明：在非布管区两种
Shell and tube heat exchangers are typical process equipment widely used in petrochemical industries. Tubesheet is the most important part, which is used to connect shell, tube bundle and channel and bear pressure, temperature load and other loads. For a large tubesheet, performing stress analysis is especially useful for saving the material while keeping sufficient strength of the tubesheet.
In this paper, 3-D finite element solid parametrized model of tubesheet is established. Temperature distribution of the model is obtained, in which "skin effect theory" described in ASME code is verified. Stress field in the tubesheet is calculated and Strength is checked according to the JB4732-1998 standard. Results show that besides P_m (general primary membrane stress) of shell as a controlling factor, P_L+P_b+Q (primary stress plus secondary stress) located at the connecting fillet of tubesheeet and shell, also plays key role in the operating case of temperature load and shell side pressure. The thennal
引文
[1] 匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002．51—185
[2] 聂清德．化工设备设计[M]．北京：化学工业出版社，1991．68—125
[3] 兰州石油机械研究所．换热器[M]．北京：烃加工出版社，1986．26—216
[4] Weiya Jin. Comparison of Two FEA Models for Calculating Stresses in Shell-and-tube Heat Exchanger[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, 8: 563—567
[5] 章姚辉．管壳式换热器的三维有限元分析[D]．北京：北京化工大学，2003
[6] G. Horvay. Bending of Honeycombs and of Perforated Plates[J]. Applied Mechanics, 1952, 74: 122-123
[7] W. J. O'Donnell. Design of Perforated Plates[J]. Engineering for Industry, 1962, (84): 307-320
[8] J. P. Duncan. Equivalent Elastic Properties of Perforated Bars and Plates[J]. Mechanical Engineering Science, 1960, (5): 53-65
[9] R. BAILEY and R. HICKS. Behavior of Perforated Plates under Plane Stress[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 1960, 2: 143-161
[10] GB151—1989，钢制管壳式换热器[S]
[11] GB151—1999，管壳式换热器[S]
[12] 章姚辉，赵军，徐鸿．换热器管板的应力分析与安全评定[J]．化工设备与防腐蚀，2003，(1)：26—28
[13] ASME. ASME Boiler and Pressare Vessel Code Section Ⅷ Division 2[S]
[14] JB4732-95，钢制压力容器——分析设计标准[S]
[15] JB4732-95，钢制压力容器——分析设计标准(释义)[S]
[16] Kasahara N, Iwata K. Simplified 2-dimensional Thermal Analysis Method Considering 3-dimensional Heat Transfer Computational Mechanism 86[J]. Springer Verlag, 1986, 2: 127-137
[17] M. FORSKITT, J. R. MOON and P. A. BROOK. Elastic Properties of Plates Perforated by Elliptical Holes[J]. Applied Mathematical Modelling, 1991, 15: 182-190
[18] 徐定耿，叶维娟．核电站蒸汽发生器管板三维有限元应力分析及其工程应用[J]．核科学与工程，1990，(6)：160～167[19] 刘俊明，陈绪．高压厚管板的有限元分析计算[J]．压力容器，1997 14(2)：25～29
[20] 冷纪桐，吕洪，章姚辉，赵军．某固定管板换热器的温度场与热应力分析[J]．北京化工大学学报，2004，(2)：104～107
[21] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．高压给水加热器厚管板的有限元分析(第一部分)[J]．压力容器，2004，21(11)：19-22
[22] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．高压给水加热器厚管板的有限元分析(第二部分)[J]．压力容器，2004，21(12)：17-21
[23] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．采用实体模型的厚管板有限元分析[J]．石油化工设备技术，2005，26(3)：17-21
[24] 龚曙光．ANSYS基础应用及范例解析[M]．北京：机械工业出版社，2004．29-225
[25] 龚曙光，谢桂兰．ANSYS操作命令与参数化编程[M]．北京：机械工业出版社，2004．12—199
[26] 李皓月等．ANSYS工程计算应用教程[M]．北京：中国铁道出版社，2004．40—65
[27] 小枫工作室．最新经典ANSYS及WORKBENCH教程[M]．北京：电子工业出版社，2004．11—125
[28] 刘海亮．高压U型管换热器管板的有限元分析研究[D]．北京：北京化工大学，2005
[29] 吴强胜，薛明德．管壳式换热器管板温度场的分析方法[J]．核动力工程，1998，19(5)：401—406
[30] 吴强胜，薛明德．对流换热条件下换热器管板的应力分析[J]．核动力工程，1998，19(6)：519—524
[31] Singh K P, Holtz M. An Approximate Method for Evaluating the Temperature Field in Tubesheet Liaments of Tubular Heat Exchangers Under Steady-State Conditions[J]. ASME Journal of Engineering for Power, 1982, 104: 895-900
[32] 徐秉业．弹塑性力学及其应用[M]．北京：机械工业出版社，1984．68～69
[33] 杨桂通．弹塑性力学[M]．北京：高等教育出版社，1998．224～259
[34] 马永其．换热器固定管板有限元应力分析的进一步研究[D]．北京：北京化工大学，2000
[35] 孙明礼等．戍刖ANSYS分析管板实例[J]．大氮肥，2004，27(2)：100—102
[36] 胡锡文，林兴华．管壳式换热器管扳的有限元分析[J]．压力容器，2004，(10)：26-28
[37] 王勖成．有限单元法基本原理和数值方法[M]．第二版．北京：清华大学出版社，1998．117—141[38] Ke-zhi Huang. an Advised Calculation Method for Stress of Fixed Tubesheet Heat Exchanger[J]. Mechnical Engineer, 1980, 2:1-23
[39] W.J.O'DONNELL. Effective Elastic Constants for the Bending of Thin Perforated Plates with Triangular and Square Penetration Patterns [J]. Journal of Engineering for Industry, 1973, 95: 121-128
[40] A.I.SOLER and W.S.HILL. Effective Bending Properties for Stress Analysis of Rectangular Tubesheet [J]. Journal of Engineering for Power, 1977, 99:365-370
[2] 聂清德．化工设备设计[M]．北京：化学工业出版社，1991．68—125
[3] 兰州石油机械研究所．换热器[M]．北京：烃加工出版社，1986．26—216
[4] Weiya Jin. Comparison of Two FEA Models for Calculating Stresses in Shell-and-tube Heat Exchanger[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2002, 8: 563—567
[5] 章姚辉．管壳式换热器的三维有限元分析[D]．北京：北京化工大学，2003
[6] G. Horvay. Bending of Honeycombs and of Perforated Plates[J]. Applied Mechanics, 1952, 74: 122-123
[7] W. J. O'Donnell. Design of Perforated Plates[J]. Engineering for Industry, 1962, (84): 307-320
[8] J. P. Duncan. Equivalent Elastic Properties of Perforated Bars and Plates[J]. Mechanical Engineering Science, 1960, (5): 53-65
[9] R. BAILEY and R. HICKS. Behavior of Perforated Plates under Plane Stress[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 1960, 2: 143-161
[10] GB151—1989，钢制管壳式换热器[S]
[11] GB151—1999，管壳式换热器[S]
[12] 章姚辉，赵军，徐鸿．换热器管板的应力分析与安全评定[J]．化工设备与防腐蚀，2003，(1)：26—28
[13] ASME. ASME Boiler and Pressare Vessel Code Section Ⅷ Division 2[S]
[14] JB4732-95，钢制压力容器——分析设计标准[S]
[15] JB4732-95，钢制压力容器——分析设计标准(释义)[S]
[16] Kasahara N, Iwata K. Simplified 2-dimensional Thermal Analysis Method Considering 3-dimensional Heat Transfer Computational Mechanism 86[J]. Springer Verlag, 1986, 2: 127-137
[17] M. FORSKITT, J. R. MOON and P. A. BROOK. Elastic Properties of Plates Perforated by Elliptical Holes[J]. Applied Mathematical Modelling, 1991, 15: 182-190
[18] 徐定耿，叶维娟．核电站蒸汽发生器管板三维有限元应力分析及其工程应用[J]．核科学与工程，1990，(6)：160～167[19] 刘俊明，陈绪．高压厚管板的有限元分析计算[J]．压力容器，1997 14(2)：25～29
[20] 冷纪桐，吕洪，章姚辉，赵军．某固定管板换热器的温度场与热应力分析[J]．北京化工大学学报，2004，(2)：104～107
[21] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．高压给水加热器厚管板的有限元分析(第一部分)[J]．压力容器，2004，21(11)：19-22
[22] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．高压给水加热器厚管板的有限元分析(第二部分)[J]．压力容器，2004，21(12)：17-21
[23] 刘海亮，于洪杰，徐鸿，钱才富．采用实体模型的厚管板有限元分析[J]．石油化工设备技术，2005，26(3)：17-21
[24] 龚曙光．ANSYS基础应用及范例解析[M]．北京：机械工业出版社，2004．29-225
[25] 龚曙光，谢桂兰．ANSYS操作命令与参数化编程[M]．北京：机械工业出版社，2004．12—199
[26] 李皓月等．ANSYS工程计算应用教程[M]．北京：中国铁道出版社，2004．40—65
[27] 小枫工作室．最新经典ANSYS及WORKBENCH教程[M]．北京：电子工业出版社，2004．11—125
[28] 刘海亮．高压U型管换热器管板的有限元分析研究[D]．北京：北京化工大学，2005
[29] 吴强胜，薛明德．管壳式换热器管板温度场的分析方法[J]．核动力工程，1998，19(5)：401—406
[30] 吴强胜，薛明德．对流换热条件下换热器管板的应力分析[J]．核动力工程，1998，19(6)：519—524
[31] Singh K P, Holtz M. An Approximate Method for Evaluating the Temperature Field in Tubesheet Liaments of Tubular Heat Exchangers Under Steady-State Conditions[J]. ASME Journal of Engineering for Power, 1982, 104: 895-900
[32] 徐秉业．弹塑性力学及其应用[M]．北京：机械工业出版社，1984．68～69
[33] 杨桂通．弹塑性力学[M]．北京：高等教育出版社，1998．224～259
[34] 马永其．换热器固定管板有限元应力分析的进一步研究[D]．北京：北京化工大学，2000
[35] 孙明礼等．戍刖ANSYS分析管板实例[J]．大氮肥，2004，27(2)：100—102
[36] 胡锡文，林兴华．管壳式换热器管扳的有限元分析[J]．压力容器，2004，(10)：26-28
[37] 王勖成．有限单元法基本原理和数值方法[M]．第二版．北京：清华大学出版社，1998．117—141[38] Ke-zhi Huang. an Advised Calculation Method for Stress of Fixed Tubesheet Heat Exchanger[J]. Mechnical Engineer, 1980, 2:1-23
[39] W.J.O'DONNELL. Effective Elastic Constants for the Bending of Thin Perforated Plates with Triangular and Square Penetration Patterns [J]. Journal of Engineering for Industry, 1973, 95: 121-128
[40] A.I.SOLER and W.S.HILL. Effective Bending Properties for Stress Analysis of Rectangular Tubesheet [J]. Journal of Engineering for Power, 1977, 99:365-370