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        棱角度超標(biāo)換熱器的有限元應(yīng)力分析

        2015-08-02 03:53:04李曉達(dá)
        安全 2015年5期
        關(guān)鍵詞:管程殼程殼體

        李曉達(dá)

        錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

        安全科學(xué)技術(shù)

        棱角度超標(biāo)換熱器的有限元應(yīng)力分析

        李曉達(dá)

        錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

        針對(duì)換熱器監(jiān)督檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的棱角度超標(biāo)問(wèn)題,采用有限元軟件對(duì)其超標(biāo)部位及整體的受力情況進(jìn)行計(jì)算,分析計(jì)算結(jié)果并與材料的允許應(yīng)力進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,該換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標(biāo)部位的靜應(yīng)力能夠滿足靜強(qiáng)度要求。

        棱角度超標(biāo);有限元;應(yīng)力分析

        某化工企業(yè)一進(jìn)口換熱壓力容器,為U形管換熱器結(jié)構(gòu),直徑為500mm,長(zhǎng)度為3840mm,換熱面積為45.36m2。其主要技術(shù)參數(shù),設(shè)計(jì)壓力:殼程0.6MPa,管程0.4MPa;設(shè)計(jì)溫度:殼程150℃,管程150℃;工作壓力:殼程0.5MPa,管程0.23MPa;工作溫度: 殼程30℃(進(jìn)口)/36℃(出口),管程43.47℃(進(jìn)口)/40℃(出口);材料:殼程#SA516Gr.70,管程C4;介質(zhì):殼程#循環(huán)水,管程PHOSGENE(光氣)。

        1 監(jiān)督檢驗(yàn)情況

        對(duì)換熱器安全性能進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)筒體縱焊縫有棱角度超標(biāo)現(xiàn)象,其縱焊縫最大棱角度為6.0mm[1],超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤3.0mm,棱角度超標(biāo)位置及尺寸標(biāo)注,如圖1。

        按照《中華人民共和國(guó)進(jìn)出口商品檢驗(yàn)法》、《中華人民共和國(guó)進(jìn)出口鍋爐壓力容器監(jiān)督管理辦法(試行)》、《鍋爐壓力容器監(jiān)督管理辦法》、《ASME Ⅷ》和我國(guó)相關(guān)壓力容器規(guī)程,壓力容器縱環(huán)焊縫棱角度要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]棱角度超標(biāo)是不符合要求的,但由于企業(yè)急于投用,且此換熱器不存在其它方面的超標(biāo)缺陷,因此擬采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)棱角度超標(biāo)部位進(jìn)行有限元數(shù)值應(yīng)力計(jì)算和分析,并進(jìn)行靜強(qiáng)度安全分析。

        2 有限元計(jì)算建模

        此容器為U型管換熱器,由于管程對(duì)殼程的受力情況影響不大,同時(shí)此換熱器接管位于筒體兩端靠近封頭位置,而棱角度超標(biāo)部位為殼程筒體中間部位,考慮到最大棱角度部位離兩端較遠(yuǎn),為方便起見(jiàn),建模時(shí)忽略管程和殼體接管的影響,重點(diǎn)考慮換熱器殼程棱角度部位的應(yīng)力情況,取殼體中間部位進(jìn)行分析,按照薄壁圓筒容器計(jì)算。殼體中間部位主要受內(nèi)部介質(zhì)的內(nèi)壓,在內(nèi)壓的作用下,薄壁承受徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力作用,不考慮殼體與其他連接處的局部應(yīng)力。分析計(jì)算中棱角度取為6mm。根據(jù)力學(xué)原理,這種計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果偏于安全。

        圖2為計(jì)算模型整體結(jié)構(gòu)示意圖,模型單元?jiǎng)澐趾蟮膯卧倲?shù)為75845個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為25488個(gè)。

        計(jì)算時(shí)取該容器的設(shè)計(jì)壓力0.6MPa和設(shè)計(jì)溫度150℃,棱角度取6mm。徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力按薄壁圓筒容器計(jì)算。

        3 計(jì)算結(jié)果

        在溫度為150℃、壓力為0.6MPa的工作情況下,殼體的應(yīng)力分布云圖情況如圖3所示。圖4為棱角度部位內(nèi)表面應(yīng)力分布云圖,圖5為棱角度部位外表面應(yīng)力分布云圖。由圖3、4、5可以看出殼體由于存在棱角度超標(biāo),縱焊縫兩側(cè)部位存在不同程度的應(yīng)力集中。

        4 安全分析及結(jié)論

        由殼體的應(yīng)力分布云圖4、5、6可以看出,在溫度為150℃、壓力為0.6MPa的情況下該換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標(biāo)部位最大應(yīng)力為37MPa,而材料(SA516Gr.70)在相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力為138MPa,兩者比較,棱角度超標(biāo)部位的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于相應(yīng)溫度下材料的許用應(yīng)力。因此說(shuō)明,在不考慮管程及接管影響的情況下,換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標(biāo)部位的靜應(yīng)力在受內(nèi)壓0.6MPa時(shí)完全能夠滿足靜強(qiáng)度要求。而此容器工作壓力為殼程0.5MPa,溫度30℃(進(jìn)口)/36℃(出口),小于計(jì)算所選設(shè)計(jì)參數(shù),因此在正常工作狀態(tài)下棱角度超標(biāo)部位的強(qiáng)度滿足要求。

        [1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB150-2011,鋼制壓力容器[Z].北京:新華出版社,2011

        [2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.TSG R0004-2009,固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[Z],北京:新華出版社,2009

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