管壳式废热锅炉整体强度的有限元分析.pdfVIP

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：A 0 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