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

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，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