內(nèi)壓作用下導(dǎo)流筒錐形連接結(jié)構(gòu)分析

朱小明

(中石化南京化工機械有限公司，江蘇南京 210048)

由于折流桿換熱器的殼程一般均是高速流動的氣態(tài)或者氣液混合態(tài)介質(zhì)，為了防止介質(zhì)的流速過快對換熱管產(chǎn)生沖刷而導(dǎo)致破壞，一般均會設(shè)置導(dǎo)流筒來對換熱管進行保護。筆者對一臺折流桿換熱器的導(dǎo)流筒的錐形連接結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，對比了不同錐形連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并對導(dǎo)流筒的錐形連接結(jié)構(gòu)的選擇給出了建議。

1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

折流桿換熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1中殼體直徑2 500 mm，導(dǎo)流筒直徑3 070 mm，導(dǎo)流筒通過錐形結(jié)構(gòu)與殼體連接，設(shè)備殼體和導(dǎo)流筒主要受設(shè)備內(nèi)壓和溫度的影響。

表1 折流桿換熱器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)流筒的錐形連接結(jié)構(gòu)分為帶折邊錐殼連接結(jié)構(gòu)和無折邊錐殼連接結(jié)構(gòu)2種不同的型式，分別見圖2、圖3。

圖2 帶折邊錐殼連接型式導(dǎo)流筒

圖3 無折邊錐殼連接型式導(dǎo)流筒

對導(dǎo)流筒的連接錐殼進行分析，而錐殼具有結(jié)構(gòu)對稱、載荷對稱和邊界條件對稱的特性，因此，建立了1/4的局部幾何模型，帶折邊錐殼連接結(jié)構(gòu)和無折邊錐殼連接結(jié)構(gòu)的1/4的局部幾何模型分別見圖4、圖5。

圖4 帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)幾何模型

圖5 無折邊錐殼結(jié)構(gòu)幾何模型

采用ANSYS WORKBENCH 2021對模型進行有限元分析，結(jié)構(gòu)分析采用SOLID186單元。對幾何模型進行有限元的網(wǎng)格劃分，分別見圖6、圖7。奧氏體不銹鋼物理特性見表2。

表2 奧氏體不銹鋼物理特性

圖6—7中帶折邊錐殼模型單元數(shù)為172 800，節(jié)點數(shù)為214 467；無折邊錐殼模型單元數(shù)為153 900，節(jié)點數(shù)為195 632。

圖6 帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)有限元模型

圖7 無折邊錐殼結(jié)構(gòu)有限元模型

2 載荷條件與邊界條件

為了對2種結(jié)構(gòu)進行研究，分別采用最低工作壓力、最高工作壓力和設(shè)計壓力3種載荷進行有限元分析。

載荷條件為：在模型內(nèi)壁施加壓力，在模型大端部施加等效應(yīng)力。邊界條件為：在模型小端施加位移約束，在模型1/4稱剖分面施加對稱邊界條件。

內(nèi)壓產(chǎn)生的筒體端面的等效應(yīng)力見式(1)：

式中：p—內(nèi)壓，MPa；

K—設(shè)備外徑與內(nèi)徑的比值。

模型大端部等效應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 模型大端部等效應(yīng)力

帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)和無折邊錐殼結(jié)構(gòu)的載荷和邊界條件分別見圖8、圖9。

圖8 帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)載荷和邊界條件

圖9 無折邊錐殼結(jié)構(gòu)載荷和邊界條件

3 錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 多工況有限元分析

分別對帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)和無折邊錐殼結(jié)構(gòu)按最低工作壓力(0.22 MPa)、最高工作壓力(0.30 MPa)、設(shè)計壓力(0.35 MPa)進行有限元分析，應(yīng)力云圖分別見圖10—15。

圖10 最低工作壓力(0.22 MPa)下帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 最高工作壓力(0.30 MPa)下帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖10—15可見：帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)的最大總應(yīng)力在錐殼小端的總體不連續(xù)處，而無折邊錐殼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力在錐殼大端的總體不連續(xù)處。

由于錐殼大端的應(yīng)力是由軸向薄膜應(yīng)力疊加彎曲應(yīng)力組成，且其中的彎曲應(yīng)力起到了控制作用，此處屬于總體不連續(xù)，因此其一次應(yīng)力加二次應(yīng)力的控制值是材料許用應(yīng)力的3倍，主要的應(yīng)力組成是二次應(yīng)力。

圖12 設(shè)計壓力(0.35 MPa)下帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖13 最低工作壓力(0.22 MPa)下無折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖14 最高工作壓力(0.30 MPa)下無折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖15 設(shè)計壓力(0.35 MPa)下無折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

錐殼小端的應(yīng)力起控制作用的是環(huán)向薄膜應(yīng)力，同時該處也屬于總體不連續(xù)。按照有限元應(yīng)力分類法的原則，該處應(yīng)力主要是一次局部薄膜應(yīng)力，且此處的整體應(yīng)力水平也較高，不能按照通常的許用應(yīng)力值的1.5倍的安全系數(shù)來控制一次局部薄膜應(yīng)力，應(yīng)按照許用應(yīng)力值的1.1倍安全系數(shù)來控制該處的一次局部薄膜應(yīng)力，因此，錐殼小端的應(yīng)力的危害性要高于錐殼大端應(yīng)力的危害性。

3.2 應(yīng)力線性化及應(yīng)力對比分析

為了更精確地對2種結(jié)構(gòu)的錐殼大端和錐殼小端的應(yīng)力變化進行研究，以了解在壓力變化情況下錐殼應(yīng)力狀況的變化規(guī)律。對各個工況的錐殼大端和小端的總體不連續(xù)處進行應(yīng)力線性化，將線性化后的各項應(yīng)力進行提取。線性化路徑分別見圖16和圖17，帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)進行a—a，b—b路徑的應(yīng)力線性化，無折邊錐殼連接結(jié)構(gòu)進行1—1，2—2路徑的應(yīng)力線性化。

圖16 帶折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力線性化路徑

圖17 無折邊錐殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力線性化路徑

3種壓力工況下總體不連續(xù)處線性化結(jié)果見表4。

為了更好地了解不同結(jié)構(gòu)的錐殼在不同的工況下應(yīng)力變化的趨勢，在計算壓力相同的條件下，無折邊錐殼相對于帶折邊錐殼在相同的總體不連續(xù)處應(yīng)力的增幅情況見表5。

在計算壓力升高的條件下，壓力的增幅和不同結(jié)構(gòu)錐殼所對應(yīng)的一次應(yīng)力、一次應(yīng)力+二次應(yīng)力和總應(yīng)力的增幅見表6。

表4 線性化結(jié)果

表5 壓力相同時無折邊錐殼相對帶折邊錐殼的應(yīng)力增幅

表6 壓力增幅與對應(yīng)應(yīng)力增幅

由表4—6可得到以下結(jié)論：①帶折邊錐殼的大端和小端的各項應(yīng)力值均低于無折邊錐殼，帶折邊錐殼應(yīng)力狀態(tài)更好。②在相同壓力條件下，對于錐殼的小端，無折邊錐殼相對帶折邊錐殼的各項應(yīng)力增幅基本差別不大(12.6%～15%)，且應(yīng)力增幅值相對較小。③在相同壓力條件下，對于錐殼的大端，無折邊錐殼相對帶折邊錐殼的各項應(yīng)力增幅相差較大。一次局部薄膜應(yīng)力增幅最小(約45%)，其次一次+二次應(yīng)力增幅約117%，總應(yīng)力增幅最大(約199%)，表明相對于帶折邊錐殼，無折邊錐殼在錐殼大端的二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的增幅較大。④隨著壓力的增加，2種錐殼型式的大、小端的各項應(yīng)力增幅和壓力的增幅相同。

若僅由受力分析可知帶折邊錐殼受力狀態(tài)優(yōu)于無折邊錐殼，且2種不同型式的錐殼受影響較大的是錐殼的大端，受影響相對較小的是小端。但在實際的容器設(shè)計過程中不會僅考慮力學方面的影響，還應(yīng)根據(jù)項目的特殊情況并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)選擇、材料的影響以及制造影響等多方面考慮，重點關(guān)注以下幾點：①對于帶折邊錐殼的折邊處，在制造成型時應(yīng)根據(jù)制造工藝和材料厚度的不同均有5%～15%的成型減薄量，材料越厚，成型減薄量越大；②對于一些厚壁的高強度材料(屈服值大于等于540 MPa)，折邊成型時往往會破壞熱處理狀態(tài)，需要重新熱處理；③制造帶折邊的錐殼需要更大面積的母材；④無折邊錐殼制造成型相對簡單；⑤有時錐殼的厚度不是由其受到的外載荷所決定的，而是由結(jié)構(gòu)要求決定的。因此，該情況下的厚度一般均比計算厚度厚很多，對外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力影響不敏感。

4 結(jié)論

建立了折流桿換熱器導(dǎo)流筒連接錐殼2種不同結(jié)構(gòu)型式的精確有限元模型，對不同壓力載荷下不同錐殼結(jié)構(gòu)型式，進行了有限元的數(shù)值分析。通過對分析結(jié)果的比較研究，了解不同錐殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力變化規(guī)律。同時結(jié)合實際工程設(shè)計經(jīng)驗，對導(dǎo)流筒的錐殼連接結(jié)構(gòu)型式選擇得到以下結(jié)論。

1)在有循環(huán)載荷的工況下建議選擇有折邊錐殼，這樣可有效降低二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，增加疲勞壽命。

2)在壁厚較薄(≤30 mm)的情況下，可選用有折邊錐殼，此時成型減薄量相對較少，不需要增加太多投料厚度。

3)當導(dǎo)流筒厚度由結(jié)構(gòu)決定，但對機械載荷產(chǎn)生的應(yīng)力不敏感時，可選擇用無折邊錐殼。

4)在壁厚較厚(＞30 mm)的情況下，可選用無折邊錐殼，減小制造難度的同時也減小了投料厚度。

5)對于高強鋼(屈服值大于等于540 MPa)，建議選用無折邊的錐殼連接結(jié)構(gòu)。