换热器应力分析报告

中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第1页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0ANSYS应力分析报告STRESSANALYSISREPORT项目名称：PROJECT设备名称：脱挥换热器EPUIPMENT设备位号：HX-03ITEM图号：DWGNo.设计单位：中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司DESIGNER编制Analyze日期Date校核Check日期Date审核Review日期Date批准Approve日期Date中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第2页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0目录前言...............................................................................................................................31.设计参数....................................................................................................................42.计算工况....................................................................................................................53.材料常数....................................................................................................................54.结构简图....................................................................................................................65.模型、加载、分析结果及应力评定.......................................................................7附录.............................................................................................................................41中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第3页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0前言本分析报告仅适用于脱挥换热器（位号HX-03）。采用ANSYS15.0软件进行分析计算，热分析选用Solid70单元，结构分析选用Solid185单元，管板及筒体的应力分类及评定按JB4732-1995（2005年确认）的方法进行，换热管的轴向应力及拉脱力按GB/T151-2014《热交换器》的相关规定进行评定。本分析报告中所有分析模型的基本结构参数、载荷工况及分析条件均取自“换热器”施工图（图号：RG/01）。对设备的技术要求均已列入“换热器”施工图（图号：RG/01）中，本报告不再赘述。中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第4页共56页有限元计算软件：ANSYS15.01.设计参数设计规范Designcode《热交换器》GB/T151-2014《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009数值计算方法Numericalmethods有限元壳程管程操作压力MPaGOperatingpressure1.45上管箱：4.76下管箱：0.09设计压力MPaGDesignpressure1.6上管箱：5.1下管箱：0.5工作温度℃Operatingtemp.250210设计温度℃Designtemp.300300平均金属温度℃Averagetemp230230主体材质MaterialS30408S30408/S30408III腐蚀裕量mmCorrosionallowance00介质FLUID导热油聚合物溶液（聚丁烯、丁烯）中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第5页共56页有限元计算软件：ANSYS15.02.计算工况管程压力（MPa）壳程压力（MPa）温度载荷（℃）工况15.10不考虑工况201.6不考虑工况35.11.6不考虑工况45.1/0.50考虑工况501.6考虑工况65.1/0.51.6考虑3.材料常数许用应力和弹性模量材料名称设计温度（℃）许用应力强度Sm（MPa）泊松比S30408(壳体及换热管)3001140.3S30408III(管板δ=250mm)300850.3S30408III(管板δ=250mm)22093.60.3热分析材料特性参数：S30408温度20℃50℃150℃200℃250℃300℃350℃400℃导热系数10-3W/(mm·℃)14.115.416.116.817.618.319.019.7平均线膨胀系数10-6mm/mm·℃16.3816.8417.0617.2517.4217.6117.7917.99弹性模量（103MPa）1.951.891.861.831.791.761.721.69空气对流传热系数W/(mm2·℃)12x10-6注:1.钢材的导热系数取自ASMEⅡ-D，对流传热系数由专业人员计算提供，其余材料常数取自GB150.1~150.4-2011。中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第6页共56页有限元计算软件：ANSYS15.04.结构简图中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第7页共56页有限元计算软件：ANSYS15.05.模型、加载、分析结果及应力评定5.1模型、边界、加载及分析结果根据该结构及载荷特性，建立1/4结构模型。以设备中心线方向为Z轴，建立坐标系。先计算机械场（设计工况），再计算温度场，并将热应力与机械应力（操作工况）耦合。a.位移边界条件下管板螺柱面（下方）施加轴向约束；结构纵向对称面施加对称约束。b.力学边界条件Ⅰ.温度载荷（1）管程施加温度边界条件，温度为210℃；（2）壳程施加温度边界条件，温度为250℃；（3）壳程筒体外表面施加相应的空气对流边界条件12e-6W/(mm2·℃)，环境温度20℃。Ⅱ.机械载荷结构应力分析：工况Ⅰ（管程单独作用）：（1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力PI=5.1MPa；（2）下管板表面施加设计压力PI=0.5MPa；（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PD=30.6MPa；（4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PDX=3MPa；（5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa；（6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa。工况Ⅱ（壳程单独作用）：（1）壳程内表面施加设计压力PS=1.6MPa；（2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力PDY=68.97MPa；（3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98MPa。工况Ⅲ（管、壳程同时作用）：（1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力PI=5.1MPa；（2）下管板表面施加设计压力PI=0.5MPa；中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第8页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PD=30.6MPa；（4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PDX=3MPa；（5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa；（6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa（7）壳程内表面施加设计压力PS=1.6Mpa。.热应力耦合分析：工况Ⅳ（管程+温度载荷）：（1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力PI=5.1MPa；（2）下管板表面施加设计压力PI=0.5MPa；（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PD=30.6MPa；（4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PDX=3MPa；（5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa；（6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85Mpa；（7）考虑温度场。工况Ⅴ（壳程+温度载荷）：（1）壳程内表面施加设计压力PS=1.6MPa；（2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力PDY=68.97MPa；（3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98Mpa；（4）考虑温度场。工况Ⅵ（管、壳程+温度载荷）：（1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力PI=5.1MPa；（2）下管板表面施加设计压力PI=0.5MPa；（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PD=30.6MPa；（4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力PDX=3MPa；（5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa；（6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa（7）壳程内表面施加设计压力PS=1.6Mpa。.（8）考虑温度场。中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第9页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0遵循规范：《热交换器》GB/T151-2014设备名称设计工况（上管板）设计压力pc5.1MPa螺栓数量n44个接触外径1506mm接触内径1458mm接触宽度N24mm基本密封宽度b012.5mm有效密封宽度b8.94mm垫片压紧力作用中心圆直径DG1488.1mm垫片垫片比压力y69MPa垫片系数m3当b0≤6.4mm时b=b0当b0≥6.4mm时b=2.530b操作状态需要的最小螺栓载荷wp10144612.4N操作状态下螺栓设计载荷w=wp10144612.4N建模时垫片外径1497.06mm螺栓作用环面外径86.7mm建模时垫片内径1479.17mm螺栓作用环面内径51mm操作状态下垫片接触面压力30.6MPa操作状态下螺栓作用环面等效力59.7MPa预紧状态下垫片接触面压力68.97MPa预紧状态下螺栓作用环面等效力16.98MPa遵循规范：《热交换器》GB/T151-2014设备名称设计工况（下管板）设计压力pc0.5MPa螺栓数量n44个接触外径1506mm接触内径1458mm接触宽度N24mm基本密封宽度b012.5mm有效密封宽度b8.94mm垫片压紧力作用中心圆直径DG1488.1mm垫片垫片比压力y69MPa垫片系数m3当b0≤6.4mm时b=b0当b0≥6.4mm时b=2.530b操作状态需要的最小螺栓载荷wp994569.847N操作状态下螺栓设计载荷w=wp994569.847N建模时垫片外径1497.06mm螺栓作用环面外径86.7mm建模时垫片内径1479.17mm螺栓作用环面内径51mm操作状态下垫片接触面压力3MPa操作状态下螺栓作用环面等效力5.85MPa预紧状态下垫片接触面压力68.97MPa预紧状态下螺栓作用环面等效力16.98MPa中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第10页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0图1换热器管板的几何模型图2换热器管板的有限元模型中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第11页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0图3换热器管板的边界及载荷——温度场图4应力云图——温度场中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第12页共56页有限元计算软件：ANSYS15.0图5换热器管板计算模型的边界及载荷——工况Ⅰ图6换热器管板模型的应力云图——工况Ⅰ中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司技术中心压力容器分析报告第13页共56页有限元