尾氣再熱器大開孔區(qū)域基于ANSYS軟件在殼程和夾套壓力共同作用下的校核評(píng)定

摘要：通過有限單元法，對(duì)尾氣再熱器大開孔區(qū)域在殼程和夾套壓力共同作用下進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判定該設(shè)備在該處的安全性，也為此類超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的校核評(píng)定提供了新的方法和新思路。

關(guān)鍵詞：再熱器；有限單元法；大開孔；校核評(píng)定

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 20-0000-03

1 前言

本文對(duì)5萬噸/年硝酸項(xiàng)目氧化系統(tǒng)中一臺(tái)尾氣再熱器殼體大開孔接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，因生產(chǎn)工藝要求在該尾氣再熱器中需設(shè)一等徑開孔接管結(jié)構(gòu)（如圖1所示），由于該結(jié)構(gòu)尺寸已超出GB150《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)8.2條所規(guī)定的開孔允許范圍，難以采用常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足正常的工作需要。因此依照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)尾氣再熱器殼體大開孔接管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算并對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)的校核。

2 建立有限元模型

2.1 尾氣再熱器殼體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.2 建立幾何模型

用ANSYS有限元軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)和參數(shù)建立模型，根據(jù)筒體和接管連接部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷性質(zhì)，采用三維力學(xué)模型。由于該結(jié)構(gòu)對(duì)稱于xoy平面，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)只需取整體的1/2。因?yàn)楸疚闹饕治龃箝_口區(qū)域的強(qiáng)度，故接管只取法蘭以下頸部部分，筒體取長(zhǎng)度為2010mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用ANSYS有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元（solid 45），將模型分割成規(guī)整的部分進(jìn)行sweep網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型共形成了20160個(gè)單元及27850個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元?jiǎng)澐趾蟮恼麄€(gè)有限元計(jì)算模型見圖。

2.4 施加載荷與約束

將模型右端截面在x軸方向進(jìn)行約束，將模型上端截面在y軸方向上進(jìn)行約束，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。殼程內(nèi)表面施加0.9Mpa載荷，在殼程外表面施加1.7Mpa載荷，在夾套內(nèi)表面施加1.7Mpa載荷。模型約束和載荷分布狀況如下圖

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)施加載荷后的有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算求解。經(jīng)ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析程序計(jì)算的應(yīng)力分布結(jié)果見圖6。

由計(jì)算結(jié)果知，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在其最大應(yīng)力為164.282 MPa，最小應(yīng)力為1.188MPa，如圖7所示。

由圖8可知設(shè)備最大位移位于夾套外表面接管和筒體結(jié)合中心處，為0.951542mm。

2.6 線性化處理

在最大應(yīng)力區(qū)進(jìn)行線性化處理。先定出最大應(yīng)力的位置，沿壁厚方向取定另外一點(diǎn)。通過線性化分析，得到線性化處理的結(jié)果圖，如圖9所示。

該路徑下線性化處理的數(shù)據(jù)如下：

其中，MEMBRAN表示局部薄膜應(yīng)力，BENDING表示彎曲應(yīng)力，MEMBRANE PLUS BENDING表示局部薄膜加彎曲應(yīng)力，PEAK表示峰值應(yīng)力，TOTAL表示總應(yīng)力。

3 強(qiáng)度校核

3.1 條件及公式說明

由應(yīng)力強(qiáng)度圖可知?dú)こ虩o危險(xiǎn)區(qū)域，可不做強(qiáng)度校核。由于各類應(yīng)力對(duì)失效的危害程度不同，所以對(duì)它們的限制條件也各不相同。在分析設(shè)計(jì)中，一次應(yīng)力的的許用值是由極限分析確定，主要目的是防止韌性斷裂或塑性失穩(wěn)；二次應(yīng)力的許用值是由安定性分析確定，目的在于防止塑性疲勞或過度塑性變形；而峰值應(yīng)力的許用值是由疲勞分析確定的，目的在于防止由大小或方向改變的載荷引起的疲勞。

查文獻(xiàn)[1]知，許用應(yīng)力：

Sm=min{ } （4）

其中σs=210MPa，ns=1.5， 1=107MPa， =1.5，σb=520 MPa，nb=2.7，將數(shù)據(jù)代入公式（4），得到Sm1=71.3MPa，Sm2=86.7K值取為1。由下面五種應(yīng)力強(qiáng)度校核公式進(jìn)行強(qiáng)度校核[1]：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

SⅠ≤KSm （5）

SⅠ=σθ （6）

其中，σθ為接管與筒體連接處的周向應(yīng)力，MPA

由文獻(xiàn)[1]知周向應(yīng)力：

σθ==pD/2t （7）

p—內(nèi)壓，p=1.7Mpa

D—接管中徑，D=1267mm

t—接管壁厚，t=42mm

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：

SⅡ≤1.5KSm （8）

（3）一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度：

SⅢ≤1.5KSm （9）

（4）一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度：

SⅣ≤3Sm （10）

由線性化處理的結(jié)果可知PL=147.1 Mpa，Pb=65.75 MPa，Q=67.75 MPa，F(xiàn)=16.49 MPa。其中PL為局部薄膜應(yīng)力，Pb為彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力，F(xiàn)為峰值應(yīng)力。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算及校核

通過計(jì)算得：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ=σθ1=25.64＜KSm=1×=86.7 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ1=PL=147.2＞1.5×1×71.3=130.05 MPa，不滿足強(qiáng)度要求。

（3）一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ1=PL+Q=217.85＞1.5×1×86，。7=130.05Mpa，不滿足強(qiáng)度要求。

（4）一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ1=PL+Pb+Q=282.6＞3×71.3=260.1 MPa，不滿足要求。

4 結(jié)論

由上述計(jì)算，分析可知，殼程在設(shè)計(jì)壓力0.9Mpa，設(shè)計(jì)溫度410℃下，處于安全狀態(tài)。夾套在設(shè)計(jì)壓力1.7MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃下，一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求，但一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ、一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ、一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ、峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ均不符合強(qiáng)度要求，設(shè)備在該處處于不安全狀態(tài)。故可知大開口變徑處容易產(chǎn)生大的應(yīng)力集中使設(shè)備處于不安全狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]莫維尼.ANSYS理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008，1.

[作者簡(jiǎn)介]張仲奇（1990-），男，福建人，本科生，福州大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)學(xué)生，研究方向?yàn)椴牧狭W(xué)、有限元分析等。