复杂载荷作用下带夹套排气冷却器关键技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.83MB 74 页 15积分
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摘 要
管壳式换热器在生产技术领域中的应用十分广泛。其关键部件的结构、材料、
性能等对换热器的整体质量及安全运行都有着十分重要的意义。实际工程中，对
于带夹套容器接管与夹套处的连接形式一般有三种，即直接连接、采用套管连接、
采用翻边形式连接，然而对这三种连接结构只有定性认识，并没有做定量分析。
本论文对某带夹套冷却器在复杂载荷作用下的关键技术进行有限元分析与研究，
主要的工作和结论如下：
（1）根据冷却器实际结构，合理简化，建立有限元模型，包括上下管箱和壳
程。
（2）借助有限元分析软件 ANSYS，对排气冷却器上管箱的三种不同结构分
别进行计算，分析了其在设计工况下的应力强度、操作工况下的温度场、热应力
及组合应力的分布，并进行了疲劳寿命分析，对三种不同结构的计算结果进行分
析讨论，比较其应力分布和疲劳寿命，分析各结构优缺点，以确定三种结构的适
用范围。
（3）采用 ANSYS 参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language，简
称APDL），对排气冷却器的壳程结构进行建模、材料参数设定、网格划分、加载，
计算壳程设计工况应力强度，操作工况温度场、热应力，并进行了疲劳寿命分析。
其中根据受力情况，判定壳程是否需要膨胀节。
（4）利用 ANSYS 分析了排气冷却器下管箱在设计工况下应力强度、操作工
况下温度场、热应力及组合应力的分布。
（5）对排气冷却器关键部件的制造和总装进行了探讨。为冷却换热器的设计、
制造提供可靠的依据。
本文的研究成果对带夹套容器的结构设计有重要意义，为工程应用提供参考。
关键词： 冷却器 夹套 有限元分析 结构对比
ABSTRACT
The tube -and- shell heat exchanger is widely used in the production technique
field. The structure, material and function of the key components are of vital importance
to the whole quality and safe operation of the exchanger. In the practical engineering,
there are usually three kinds of connection between the tube and the jacket—the direct
connection, the connection with casing, the flanged connection, which are only
recognized from the qualitative perspective without any quantitative analysis. This
paper analyzes and studies the key technology of the cooler with jacket under the
complicated loading and the main tasks and connections are as follows:
(1) Based on the practical structure of the cooler, establish a finite element model
by rational simplification, including the top channel, bottom channel and the shell side.
(2) Separately calculate the three structures of the top channel of the exhaust cooler,
analyze the strength stress in the design conditions, the distribution of temperature field,
thermal stress and combined stress in the operation conditions by the ANSYS and make
the fatigue life analysis. Discuss and analyze the calculation results of the three
structures and compare the stress distribution and the fatigue life. Analyze the merits
and demerits of each structure to define the applicable scope of the three structures.
(3) Apply the ANSYS Parametric Design Language to establish the model, set the
material parameter, mesh and load to the shell side structure of the exhaust cooler.
Calculate the stress intensity in the design conditions, the temperature field and thermal
stress in the operation conditions and make the fatigue life analysis to the shell side.
Determine whether to use the expansion joint to the shell side according to the stress
conditions.
(4) Analyze the strength stress in the design conditions, the distribution of
temperature field, thermal stress and combined stress of the bottom channel of the
exhaust cooler by ANSYS.
(5) Discuss the manufacture of the key components of the exhaust cooler so as to
provide the basis for the design and manufacture of the cooling heat exchanger. The
research result of this paper is important to the structure design of the container with the
jacket and provides references to the engineering applications.
Key words: cooler, jacket, finite element analysis, structure
comparison
符号表
Di 筒体内径 mm
Pc 计算压力 MPa
δ 计算厚度 mm
δn 名义厚度 mm
Sm 设计温度下的许用应力强度 MPa
e 自然对数的底
C2 腐蚀余量裕量 mm
P 计算设计压力 MPa
et
P 施加在接管端面的平衡载荷 MPa
do 接管外径 mm
di 接管内径 mm
Fb 在操作工况下的的螺栓载荷 N
DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径 mm
b 垫片有效密封宽度 mm
m 垫片系数
Ro 螺栓所在中心圆的半径与螺栓半径之和 mm
Ri 螺栓所在中心圆的半径与螺栓半径之差 mm
bo 密封基本宽度 mm
K 载荷组合系数
Pm 一次总体薄膜应力
PL 一次局部薄膜应力
Pb 一次弯曲应力
Q 二次应力
FX X方向的集中力 N
FY Y方向的集中力 N
FZ Z方向的集中力 N
MX X方向的集中弯矩 N·mm
MY Y方向的集中弯矩 N·mm
MZ Z方向的集中弯矩 N·mm
S 应力范围 MPa
Salt 应力强度幅值 MPa
Sa 修正后的应力幅值 MPa
N 许用疲劳次数 次
U 累积使用系数
Peg 垫片有效密封宽度范围内的平衡压力 MPa
r
C 系数
d 换热管外径 mm
Et 设计温度时，换热管材料的弹性模量 MPa
i 换热管的回转半径，
(
)
2
2
0.25 2 t
idd
δ
=+−
mm
cr
l 换热管受压失稳当量长度，按图 4-22 确定 mm
t
δ
换热管壁厚 mm
t
s
σ
设计温度时，换热管材料的屈服点 MPa
[
]
cr
σ
换热管稳定许用应力 MPa
F 管子的轴向力 N
Fg 水平地震力 N
mp 集中于单质点的质量 kg
g 重力加速度 m/s2
地震载荷系数，
Tg 特性周期，按场地土的类型及震区类型确定
max
α
地震影响系数最大值
I
目 录
摘 要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论 .................................................... 1
§1.1 课题的研究与发展状况 .................................. 1
§1.2 课题研究目的和研究意义 ................................ 2
§1.3 本文的主要工作 ........................................ 3
第二章 有限元基础与分析计算概述 ................................ 5
§2.1 有限元基础 ............................................ 5
§2.1.1 有限元方法的概念 ................................ 5
§2.1.2 热—结构耦合分析基础 ............................ 6
§2.1.3 有限元分析技术与基本步骤 ....................... 7
§2.2 分析设计概述 .......................................... 8
§2.2.1 设计工况简介 .................................... 8
§2.2.2 载荷分析与厚度计算 .............................. 9
§2.3 有限元计算概述 ....................................... 12
§2.3.1 计算过程综述 ................................... 12
§2.3.2 对分析计算的一些说明 ........................... 13
§2.4 本章小结 ............................................. 14
第三章 上管箱有限元分析及结构对比 ............................. 15
§3.1 直接连接结构形式的上管箱有限元分析 ................... 16
§3.1.1 工况 1 .......................................... 17
§3.1.2 工况 2 .......................................... 18
§3.1.3 工况 3 .......................................... 19
§3.1.4 工况 4 .......................................... 21
§3.2 套管结构形式的上管箱有限元分析 ....................... 23
§3.2.1 工况 1 .......................................... 23
§3.2.2 工况 2 .......................................... 24
§3.2.3 工况 3 .......................................... 25
§3.2.4 工况 4 .......................................... 26
§3.3 采用翻边结构形式的上管箱有限元分析 ................... 27
II
§3.3.1 工况 1 .......................................... 28
§3.3.2 工况 2 .......................................... 29
§3.3.3 工况 3 .......................................... 29
§3.3.4 工况 4 .......................................... 31
§3.4 三种结构对比 ......................................... 32
§3.5 疲劳分析 ............................................. 37
第四章 换热管与管板连接接头有限元分析 ......................... 40
§4.1 工况 1 ................................................ 41
§4.2 工况 2 ................................................ 42
§4.3 工况 3 ................................................ 44
§4.3.1 温度场分析 ..................................... 44
§4.3.2 结构强度分析 ................................... 44
§4.4 工况 4 ................................................ 45
§4.4.1 温度场分析 ..................................... 45
§4.4.2 结构强度分析 ................................... 46
§4.5 应力分类及评定 ....................................... 47
§4.5.1 管接头拉脱力及管子稳定性的校核 ................. 47
§4.5.2 应力强度评定 ................................... 49
§4.5.3 疲劳评定 ........................................ 50
第五章 下管箱有限元分析 ....................................... 51
§5.1 工况 1 ................................................ 52
§5.2 工况 2 ................................................ 53
§5.3 工况 3 ................................................ 54
§5.4 工况 4 ................................................ 55
第六章 风载、地震载荷作用下整体结构受力分析 ................... 58
第七章 关键部件的制造与总装 ................................... 61
§7.1 制造检验工艺方案及其质量控制 ......................... 61
§7.1.1 制造难点 ....................................... 61
§7.1.2 管箱的组装加工 ................................. 61
§7.1.3 管束的组装加工 ................................. 62
§7.1.4 总装制作流程 ................................... 62
§7.2 小结 .................................................. 63
第八章 总结与展望 ............................................. 64
III
§8.1 本文工作总结 ......................................... 64
§8.2 未来研究展望 ......................................... 64
参考文献 ...................................................... 65
攻读硕士学位期间发表的论著和承担的科研项目 .................... 68
一、论著 ................................................... 68
二、科研项目 ............................................... 68
致谢 .......................................................... 69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的研究与发展状况
压力容器的用途十分广泛，它在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国
民经济的各个部门都起着非常重要的作用；在一些高新技术领域内，如新能源技
术、空间技术、海洋技术等，也起着重要的作用。
压力容器一般是由筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件等
六大部件构成容器的壳体。对于存储用的压力容器，这一壳体就是压力容器本身；
而对于化学反应、传热、分离等工艺过程的压力容器，则须在外壳内装入生产工
艺所需要的内件，才能构成一台完整的压力容器。压力容器各部件之间的连接大
多需要通过焊接来完成，因而对焊接质量的控制是整个压力容器质量体系中极为
重要的一环。焊缝的接头形式和坡口形式的设计直接影响到焊接质量及压力容器
的安全，因而必须合理的设计容器焊接接头的结构。
加工制造产品所需的最重要的构成部件习惯上被称为关键部件。压力容器的
关键部件是容器不可或缺的组成部分，主要指封头、开孔补强、法兰等与主体连
接的结构。压力容器在其特定的操作条件下，不仅要求主体必须满足设计要求，
还要求关键部件也应符合结构、材料、性能等方面的要求。这对压力容器的整体
的质量和安全使用有着十分重要的意义。[1]
换热设备是一种用于完成介质热量交换的压力容器，用在两种或两种以上流
体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流
体间的热量（或焓）传递的装置。在工业实际生产中，换热设备的主要功能是将
热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以此来
满足工艺过程上的需。换热器是化工、动力、炼油、核能、冶金、食品及制药等
工业部门广泛使用的工艺设备，在实际生产中占有重要的地位。
在化工生产中，换热器按用途可以作为冷却器、冷凝器、加热器、蒸发器和
再沸器等。其种类很多，根据冷、热流体热量交换的原理及方式基本上可分三大
类：间壁式、混合式和蓄热式，其中间壁式换热器应用最多。间壁式换热器又分
为管式换热器和板面式换热器，管壳式就是管式换热器的一种。[1]
管壳式换热器的结构坚固、可靠性高、适应性广、处理能力大、易于制造、
便于清洗换热表面、能承受较高的操作压力和温度。大型管壳式换热器的结构强
度和疲劳寿命的分析计算以及制造工艺的确定等，能使各工程公司、设计单位、
制造单位以更安全、更先进的技术和较低成本的投入参与国际市场的承压设备的
竞争。[5]
摘要：

 摘要管壳式换热器在生产技术领域中的应用十分广泛。其关键部件的结构、材料、性能等对换热器的整体质量及安全运行都有着十分重要的意义。实际工程中，对于带夹套容器接管与夹套处的连接形式一般有三种，即直接连接、采用套管连接、采用翻边形式连接，然而对这三种连接结构只有定性认识，并没有做定量分析。本论文对某带夹套冷却器在复杂载荷作用下的关键技术进行有限元分析与研究，主要的工作和结论如下：（1）根据冷却器实际结构，合理简化，建立有限元模型，包括上下管箱和壳程。（2）借助有限元分析软件ANSYS，对排气冷却器上管箱的三种不同结构分别进行计算，分析了其在设计工况下的应力强度、操作工况下的温度场、热应力及组合应力...

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