氨冷器管板的应力分析设计

26氨冷器管板的应力分析设计

氨冷器管板的应力分析设计

龚曙光3　谢桂兰

(湘潭大学机械工程学院CA E 研究所)

　　　摘　要　随着化工过程设备向大型化、复杂化、零部件设计的常规设计方法受到了冲击, 析来完成。通过对某厂氨冷器管板的分析, 阐述了管板应力分析设计的过程和方法计, 。

一方法就是采用应力分析设计。

　　在某厂氨冷器的设计过程中, 其设计环境已经超出了文献[1]的规定。本文阐述了其中一个主要受压部件管板的应力分析设计过程, 通过对管板的结构和受力状态进行分析, 建立了管板应力分析设计的模型, 并利用AN SYS 软件完成了该管板的应力分析设计, 以供同行与企业参考。

2　管板的结构及工作条件

1　引言

　　随着化工过程设备向大型化、复杂化、高参数化方向发展, 作为压力容器零部件设计的常规设计方法受到了冲击, 受压零部件的设计越来越多地利用应力分析来完成。氨冷器作为氨合成工艺流程中的一台主要设备, 随着合成氨工艺的改进, 已越来越向大型化方向发展, 而使得其中一些主要零部件如管板的设计已经超出文献[1]的规定。尽管在文献[2]中, 对超出设计规范零部件的设计方法有进一步的解释, 即超出设计规范的零部件设计仍然可以采用文献[1]的设计方法进行, 但所得到的结果是保守的。另一方面, 由于压力容器设计软件不能完成对超出设计规范的受压零部件的设计, 对于这部分零件必须采用手工计算。因此采用常规设计方法来完成超出规范的受压零部件的设计, 一方面使得设计的容器是更加的笨、粗; 另一方面会引起用户和设计厂家的成本上升, 从而产生一些不必要的浪费。解决上述难题的唯

　　氨冷器的结构示意图如图1所示。该氨冷器属于管程为高压而壳程为中压的U 形管式换热器, 管箱由球形封头和管板构成, 其工作条件和设计参数如表1所示。由于其公称直径(DN ) 与公称压力(PN ) 的乘积为1400×3114=43960>104, 该氨冷却器的设计已超出了GB 151-99的设计要求。在设计计算中必须采用手工计算, 而且计算的结果是保守的。因此, 为了得到一个既安全又经济的管板厚度, 按照JB 4732-95(文献[3]) 的要求进行了应力分类

3龚曙光, 男, 1965年2月生, 博士生, 副教授。湘潭市, 411105。

《化工装备技术》第24卷第2期2003年27

区域 , 这部分要采用当量等效圆平板理论来进行分析, 在计算应力和变形的公式中, 要用多孔板的有效弹性模量和有效泊松比来代替原来材料的弹性模量和泊松比, 其中E 3和Λ3可通过孔管带效率Γ=h l 0在文献[4]中查到。另一部分由球形封头和管板的“实缘”区域构成, 如图2中区域 部分, 这一部分则按实际的情况进行计算。

图1　氨冷器的结构

　表1氨冷器的设计参数

壳程215

工作压力 M Pa 工作温度 ℃

材料

管程

3114

管板

20M n M o

封头

M nR

和强度评定。3　　在进行有限元分析前, 必须对管板结构作

适当的简化, 建立有限元分析模型, 以利于有限元求解。由于该设备采用U 形管式换热器, 管子对管板没有支承作用, 因此可以将该管板看作是仅受开孔削弱, 无弹性支承基础的普通均质等效圆平板。管板开孔对管板强度和刚度削弱的影响, 可以通过采用有效弹性模量E 3和有效泊松比Λ3的概念将管板折算为等厚度的当量无孔圆平板。其具体的作法是:先应用一般实心圆平板的应力和变形公式, 计算当量实心圆平板的应力和变形。再将当量实心圆平板的应力乘以一个相应的应力系数, 就可以得到多孔板应力强度的实际值, 并以此作为强度计算的依据(参见文献[4]) 。

　　根据上述等效原理, 管板与封头部分的计算可简化为一个轴对称模型。由于管板两侧温度相差不大, 由温差引起的应力可以忽略不计。管箱的有限元分析模型、边界条件和受力状态如图2所示。其中管箱结构可分为两部分。一部分是管板中处于开孔的位置, 如图2所示的

图2　管箱结构

　　对于本管板的结构形式, 计算孔管带效率

37≈0135。查文献Γ=(l 0-d ) l 0=(37-24)

3

[4]有E 3 E ≈01305、Λ≈0136, 管板和封头的

材料参数为弹性模量E =21

0×105M Pa 、泊松比Λ=013。通过计算可得到有效弹性模量为:

E =0161×10M Pa 。而开孔区的强度削弱系

3

5

数Μ对于孔管带效率在Γ=012～0135时, 可取=014(文献[1]、[3]、[5]、[6]) 。这样处理后, Μ

有限元分析得出的位移就是原管箱结构的变形位移, 而对于非布管区 计算所得的应力为实际应力, 布管区得出的应力应除以开孔强度削弱系数Μ才能得到管板的实际应力值。4　计算结果分析

　　为了保证有限元的计算精度, 在管板系统的应力分析中, 管板和球形封头采用8节点四边形等参单元, 在两者连接的过渡区采用了6节点三边形等参单元。共划分单元488个, 节点为1577个, 管板的网格划分如图3所示。对

28氨冷器管板的应力分析设计

板外侧的第一主应力和V on M ises 应力的分布规律如图4、5所示, 可以看出第一主应力与V on M ises 应力分布具有相同的规律。在第二组数据下, 其分布具有同样的规律。

　　根据JB 4732-95(文献[3]) 的要求, 在进行应力分析设计时, 必须对处理线上的应力进行分类, 然后根据JB 4732-95的评定要求对分类应力作出评定。利用AN SYS 软件的线性化原理(线性化原理可参见文献[, 可以很容, , 应和表2所示。

管板系统的两种情况进行了有限元分析:　　①管板厚度∆=390mm 　　　管板外半径r o =820mm 　　②管板厚度∆=350mm 　　　管板外半径r o =790mm

图32结果, 取的值(a )

图4　沿封头内壁的应力分布

(b )

图6

　D -D 处理线的应力分类结果(∆=390mm )

　　从计算结果看, 取第二组数据的计算结果已经能够满足设计强度的要求, 因此该管板系统的设计应该用第二组数据。即取管板的厚度为∆=350mm , 该结果比手工计算结果节省材料达2412%。

图5　沿管板筒体的应力分布

《化工装备技术》第24卷第2期2003年29

循环流化床锅炉省煤器磨损的原因分析及改进措施

米　铁3　袁贵成　陈汉平　刘德昌　　　王淑娟　　

　　(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室) (枣庄市台儿庄区环保局)

　　　摘　要　通过对某热电厂循环流化床锅炉设计和运行工况的分析, 、

燃煤粒径分布不合理、成省煤器磨损的主要原因, , 提供实践依据。　　　关键词　, 因此在国际上得到迅速的商业推广。但由于循环流化床独特的燃烧特点, 使它在运行中也存在一些问题, 特别是尾部省煤器的磨损。某热电厂1号机组于1996年2月建成并投入运行, 锅炉为芬兰A h lstrom 公司制造的

1　前言

高效、, 具有燃料适应性广, , 灰渣易于综合利用等

3米　铁, 男, 1968年6月生, 博士。武汉市, 430074。

　表　　　2线性化后各类应力值及强度评定

　　　(∆=350mm ) 　(单位:M Pa )

M +B M M +B M +B (51964) (11118) (-16198) (-21308) (22195) (11411)

B -B [***********]17010310

C -C [***********][1**********]6

D -D [***********]281435012

E -E [***********]31114912S

强度评定

为容器提供详细的应力分布结果, 有利于工程技术人员更好地完成容器的设计和制造。另一方面, 利用应力分析设计能够完成一些超规范的产品设计, 以满足设备向大型化、复杂化转变。

参　考　文　献

　1　GB 151—99钢制管壳式换热器.

　2　GB 151—99钢制管壳式换热器:标准释义. 　3　JB 4732—95钢制压力容器——分析设计标准.

　4　范钦珊编. 压力容器的应力分析与强度设计. 北京:原

子能出版社, 1979.

　5　JB 4732-95钢制压力容器——分析设计标准:标准释

义.

　6　薛时德, 黄克智等. 中国管板设计方法的研究进展. 压

力容器, 1991, 8(5) :73～79

　7　龚曙光, 谢桂兰. 压力容器分析设计中的应力分类方法.

化工装备技术, 2000, 21(3) :27～31

　8　龚曙光. AN SYS 在应力分析设计中的应用. 化工装备技

术, 2002, 23(1) :29～33

(收稿日期:2002204225)

说明:(1) A -A 处理线上加括号的数据为等效圆平板上的计

算应力, 未加括号的数据则为除以削弱系数后管板的实际应力; () 　　2对管板:S m =196M Pa ; 对封头:S m =147M Pa ,

　　　　　K =110(文献[3]) ;

　　(3) M ——薄膜应力, B ——弯曲应力。

5　结论

　　从上述分析结果可知, 应力分析设计能够

26氨冷器管板的应力分析设计

氨冷器管板的应力分析设计

龚曙光3　谢桂兰

(湘潭大学机械工程学院CA E 研究所)

　　　摘　要　随着化工过程设备向大型化、复杂化、零部件设计的常规设计方法受到了冲击, 析来完成。通过对某厂氨冷器管板的分析, 阐述了管板应力分析设计的过程和方法计, 。

一方法就是采用应力分析设计。

　　在某厂氨冷器的设计过程中, 其设计环境已经超出了文献[1]的规定。本文阐述了其中一个主要受压部件管板的应力分析设计过程, 通过对管板的结构和受力状态进行分析, 建立了管板应力分析设计的模型, 并利用AN SYS 软件完成了该管板的应力分析设计, 以供同行与企业参考。

2　管板的结构及工作条件

1　引言

　　随着化工过程设备向大型化、复杂化、高参数化方向发展, 作为压力容器零部件设计的常规设计方法受到了冲击, 受压零部件的设计越来越多地利用应力分析来完成。氨冷器作为氨合成工艺流程中的一台主要设备, 随着合成氨工艺的改进, 已越来越向大型化方向发展, 而使得其中一些主要零部件如管板的设计已经超出文献[1]的规定。尽管在文献[2]中, 对超出设计规范零部件的设计方法有进一步的解释, 即超出设计规范的零部件设计仍然可以采用文献[1]的设计方法进行, 但所得到的结果是保守的。另一方面, 由于压力容器设计软件不能完成对超出设计规范的受压零部件的设计, 对于这部分零件必须采用手工计算。因此采用常规设计方法来完成超出规范的受压零部件的设计, 一方面使得设计的容器是更加的笨、粗; 另一方面会引起用户和设计厂家的成本上升, 从而产生一些不必要的浪费。解决上述难题的唯

　　氨冷器的结构示意图如图1所示。该氨冷器属于管程为高压而壳程为中压的U 形管式换热器, 管箱由球形封头和管板构成, 其工作条件和设计参数如表1所示。由于其公称直径(DN ) 与公称压力(PN ) 的乘积为1400×3114=43960>104, 该氨冷却器的设计已超出了GB 151-99的设计要求。在设计计算中必须采用手工计算, 而且计算的结果是保守的。因此, 为了得到一个既安全又经济的管板厚度, 按照JB 4732-95(文献[3]) 的要求进行了应力分类

3龚曙光, 男, 1965年2月生, 博士生, 副教授。湘潭市, 411105。

《化工装备技术》第24卷第2期2003年27

区域 , 这部分要采用当量等效圆平板理论来进行分析, 在计算应力和变形的公式中, 要用多孔板的有效弹性模量和有效泊松比来代替原来材料的弹性模量和泊松比, 其中E 3和Λ3可通过孔管带效率Γ=h l 0在文献[4]中查到。另一部分由球形封头和管板的“实缘”区域构成, 如图2中区域 部分, 这一部分则按实际的情况进行计算。

图1　氨冷器的结构

　表1氨冷器的设计参数

壳程215

工作压力 M Pa 工作温度 ℃

材料

管程

3114

管板

20M n M o

封头

M nR

和强度评定。3　　在进行有限元分析前, 必须对管板结构作

适当的简化, 建立有限元分析模型, 以利于有限元求解。由于该设备采用U 形管式换热器, 管子对管板没有支承作用, 因此可以将该管板看作是仅受开孔削弱, 无弹性支承基础的普通均质等效圆平板。管板开孔对管板强度和刚度削弱的影响, 可以通过采用有效弹性模量E 3和有效泊松比Λ3的概念将管板折算为等厚度的当量无孔圆平板。其具体的作法是:先应用一般实心圆平板的应力和变形公式, 计算当量实心圆平板的应力和变形。再将当量实心圆平板的应力乘以一个相应的应力系数, 就可以得到多孔板应力强度的实际值, 并以此作为强度计算的依据(参见文献[4]) 。

　　根据上述等效原理, 管板与封头部分的计算可简化为一个轴对称模型。由于管板两侧温度相差不大, 由温差引起的应力可以忽略不计。管箱的有限元分析模型、边界条件和受力状态如图2所示。其中管箱结构可分为两部分。一部分是管板中处于开孔的位置, 如图2所示的

图2　管箱结构

　　对于本管板的结构形式, 计算孔管带效率

37≈0135。查文献Γ=(l 0-d ) l 0=(37-24)

3

[4]有E 3 E ≈01305、Λ≈0136, 管板和封头的

材料参数为弹性模量E =21

0×105M Pa 、泊松比Λ=013。通过计算可得到有效弹性模量为:

E =0161×10M Pa 。而开孔区的强度削弱系

3

5

数Μ对于孔管带效率在Γ=012～0135时, 可取=014(文献[1]、[3]、[5]、[6]) 。这样处理后, Μ

有限元分析得出的位移就是原管箱结构的变形位移, 而对于非布管区 计算所得的应力为实际应力, 布管区得出的应力应除以开孔强度削弱系数Μ才能得到管板的实际应力值。4　计算结果分析

　　为了保证有限元的计算精度, 在管板系统的应力分析中, 管板和球形封头采用8节点四边形等参单元, 在两者连接的过渡区采用了6节点三边形等参单元。共划分单元488个, 节点为1577个, 管板的网格划分如图3所示。对

28氨冷器管板的应力分析设计

板外侧的第一主应力和V on M ises 应力的分布规律如图4、5所示, 可以看出第一主应力与V on M ises 应力分布具有相同的规律。在第二组数据下, 其分布具有同样的规律。

　　根据JB 4732-95(文献[3]) 的要求, 在进行应力分析设计时, 必须对处理线上的应力进行分类, 然后根据JB 4732-95的评定要求对分类应力作出评定。利用AN SYS 软件的线性化原理(线性化原理可参见文献[, 可以很容, , 应和表2所示。

管板系统的两种情况进行了有限元分析:　　①管板厚度∆=390mm 　　　管板外半径r o =820mm 　　②管板厚度∆=350mm 　　　管板外半径r o =790mm

图32结果, 取的值(a )

图4　沿封头内壁的应力分布

(b )

图6

　D -D 处理线的应力分类结果(∆=390mm )

　　从计算结果看, 取第二组数据的计算结果已经能够满足设计强度的要求, 因此该管板系统的设计应该用第二组数据。即取管板的厚度为∆=350mm , 该结果比手工计算结果节省材料达2412%。

图5　沿管板筒体的应力分布

《化工装备技术》第24卷第2期2003年29

循环流化床锅炉省煤器磨损的原因分析及改进措施

米　铁3　袁贵成　陈汉平　刘德昌　　　王淑娟　　

　　(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室) (枣庄市台儿庄区环保局)

　　　摘　要　通过对某热电厂循环流化床锅炉设计和运行工况的分析, 、

燃煤粒径分布不合理、成省煤器磨损的主要原因, , 提供实践依据。　　　关键词　, 因此在国际上得到迅速的商业推广。但由于循环流化床独特的燃烧特点, 使它在运行中也存在一些问题, 特别是尾部省煤器的磨损。某热电厂1号机组于1996年2月建成并投入运行, 锅炉为芬兰A h lstrom 公司制造的

1　前言

高效、, 具有燃料适应性广, , 灰渣易于综合利用等

3米　铁, 男, 1968年6月生, 博士。武汉市, 430074。

　表　　　2线性化后各类应力值及强度评定

　　　(∆=350mm ) 　(单位:M Pa )

M +B M M +B M +B (51964) (11118) (-16198) (-21308) (22195) (11411)

B -B [***********]17010310

C -C [***********][1**********]6

D -D [***********]281435012

E -E [***********]31114912S

强度评定

为容器提供详细的应力分布结果, 有利于工程技术人员更好地完成容器的设计和制造。另一方面, 利用应力分析设计能够完成一些超规范的产品设计, 以满足设备向大型化、复杂化转变。

参　考　文　献

　1　GB 151—99钢制管壳式换热器.

　2　GB 151—99钢制管壳式换热器:标准释义. 　3　JB 4732—95钢制压力容器——分析设计标准.

　4　范钦珊编. 压力容器的应力分析与强度设计. 北京:原

子能出版社, 1979.

　5　JB 4732-95钢制压力容器——分析设计标准:标准释

义.

　6　薛时德, 黄克智等. 中国管板设计方法的研究进展. 压

力容器, 1991, 8(5) :73～79

　7　龚曙光, 谢桂兰. 压力容器分析设计中的应力分类方法.

化工装备技术, 2000, 21(3) :27～31

　8　龚曙光. AN SYS 在应力分析设计中的应用. 化工装备技

术, 2002, 23(1) :29～33

(收稿日期:2002204225)

说明:(1) A -A 处理线上加括号的数据为等效圆平板上的计

算应力, 未加括号的数据则为除以削弱系数后管板的实际应力; () 　　2对管板:S m =196M Pa ; 对封头:S m =147M Pa ,

　　　　　K =110(文献[3]) ;

　　(3) M ——薄膜应力, B ——弯曲应力。

5　结论

　　从上述分析结果可知, 应力分析设计能够