换热器的应力分析报告.docx
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换热器的应力分析报告
换热器的应力分析报告
表一换热器设备要紧数据表
数据类别
数据名称
数值
管程
壳程
差不多数据
容器类别
三类
物料名称
原料气（CO2,Clˉ,水）
净化气
腐蚀裕量mm
0
2
焊缝接头系数
管箱1
封头1
筒体1
封头1
设计载荷
设计压力MPa
12.6
9.9
设计温度oC（最大差）
40
-20
工作载荷
工作压力MPa
12.0
9.4
工作温度oC（最大差）
34
0
水压试验Ⅰ
水压试验压力
0
12.14
水压试验Ⅱ
水压试验压力
15.75
0
波动载荷
是否做疲劳分析
否
表二各种材料性能参数表
构件名称
材料牌号
弹性模量E（MPa）
泊松比μ
设计应力强度（MPa）
壳程筒体
16MnR
2.06e5
0.3
157
管程筒体
16MnR
2.06e5
0.3
157
管板锻件
00Cr22Ni5Mo3N
2.00e5
0.3
177
换热管
00Cr22Ni5Mo3N
2.00e5
0.3
177
2工具和技术
●JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》
●GB151-1999《管壳式换热器》
●GB150-1998《钢制压力容器》
●ANSYS有限元分析软件
3几何模型
本结构由壳程筒体、管程筒体、管板、换热管组成。
在建立三维几何模型时，利用对称性，沿圆周向截取90度的扇形区域，管程筒体沿轴向取50mm，壳程筒体沿轴向取L=2.5
（R是与筒体的平均半径，t是该筒体的厚度），算得小于400mm，在那个地点取400mm，依照圣维南原理就能够排除筒体边缘处轴向应力分布对管板处应力分布的阻碍。
图1换热器整体模型
图2换热器管板模型
在ANSYS有限元模型中，为了同时表达换热管对管板的支撑作用和管孔对管板的削弱作用，在ANSYS建立模型中，换热管也进行网格划分，单元用SOLID45，同时全部模型都采纳的是SOLID45单元。
在进行ANSYS运算时，已考虑了腐蚀裕量的阻碍，具体做法是，因为只有壳程有腐蚀裕量，将壳程筒体的壁厚加2mm，筒体的内直径加4mm，而管板和换热管都采纳的是00Cr22Ni5Mo3N材料，因此不用考虑腐蚀裕量。
结构整体的几何模型见图1和图2，其中，图1是换热器整体模型，图2是换热器管板模型。
关于管板的四分之一模型见图3，其中有壳程筒体-管板-管程筒体连接处的细部和九十度布管区布管详图。
图4为主体结构三维几何模型，图5为主体结构有限元模型，图6和图7为主体结构有限元模型的细部。
图3壳程筒体-管板-管程筒体连接处细部和九十度布管区布管详图
图4主体结构三维几何模型
图5主体结构有限元模型
图6主体结构有限元模型细部-管板
图7主体结构有限元模型细部-锻件
4力学模型
本结构在所考虑的各种工况下能够构建统一的力学模型。
4.1约束
结构给定以下约束：
1.在沿壳程筒体400mm处的截面上，壳程筒体端部和换热器端部的轴向位移为0；
2.在沿换热器周向的两个分割面上，即位于0度和90度角处，在0度截面上，所有y方向的位移为0，在90度截面上，所有x方向的位移为0。
图8在0度截面上，所有y方向的位移为0，在90度截面上，所有x方向的位移为0
图9壳程筒体端部和换热器端部的轴向位移为0
4.2应力边界
结构承担的载荷是以下独立载荷的组合：
1.作用于壳侧表面（包括壳程筒体内表面、管板及其端部壳侧表面，见图10）的壳程压力；
2.作用于管侧表面（包括管箱筒体内表面、管板及其端部管侧表面、管板上管孔内表面，见图11）的管程压力；
3.作用于换热管内径和外径的管程压力和壳程压力（见图12和图13）；
4.由于管程压力引起的作用于管程筒体端部的拉应力，它总是与作用于管侧表面的内压力同时存在，其大小为
，其中Pt为管程压力，
为管程侧管板面积，
为管程侧筒体圆环面积；
由于本设备是高压低温卧式换热器，本次应力分析中忽略以下载荷：
1.各处金属的温度；
2.重力；
3.风载荷；
4.地震载荷；
5.介质液柱静压力。
图10作用于壳侧表面的壳程压力
图11作用于管侧表面的管程压力
图12换热管的外径受壳程压力
图13换热管的内径受管程压力
4.3载荷组合
依照本设备的操作条件，应力分析时考虑以下载荷组合（即工况）：
1.壳程水压试验工况：
壳程水压试验压力作用于壳侧表面，管侧压力为0；
2.管程水压试验工况：
管程水压试验压力作用于管侧表面，壳侧压力为0；
3.设计工况：
壳程设计压力作用于壳侧表面，管程设计压力作用于管侧表面；
4.操作工况：
壳程操作压力作用于壳侧表面，管程操作压力作用于管侧表面。
5应力分析及评定
5.1应力分析过程
（1）建立三维几何模型；
（2）对结构给定约束，依次施加四组载荷组合（以下简称四种工况）并储存载荷；
（3）分别对四种工况进行有限元应力分析运算；
（4）后处理与应力评定。
5.2应力评定截面
对四种工况的有限元应力分析运算完成后，依照顾力分布情形选定应力评定的截面进行应力评定。
图14应力评定截面
5.3设计工况下应力评定
图15设计工况下第三强度应力分布图
1.路径PATH1上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0078.41235.50合格
2.路径PATH2上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0084.04235.50合格
3.路径PATH3上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0072.75235.50合格
4.路径PATH4上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0073.24235.50合格
5.路径PATH5上的一次总体薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00119.9157.00合格
6.路径PATH6上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0048.19265.50合格
7.路径PATH7上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0072.74265.50合格
8.路径PATH8上的一次薄膜加弯曲薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0082.13265.50合格
5.4水压试验Ⅰ下应力评定
图16水压试验Ⅰ下第三强度应力分布图
1.路径PATH1上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0014.10235.50合格
2.路径PATH2上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0043.31235.50合格
3.路径PATH3上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0082.64235.50合格
4.路径PATH4上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0058.54235.50合格
5.路径PATH5上的一次总体薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00141.6157.00合格
6.路径PATH6上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0042.95265.50合格
7.路径PATH7上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0063.88265.50合格
8.路径PATH8上的一次薄膜加弯曲薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0040.37265.50合格
5.5水压试验Ⅱ下应力评定
图17水压试验Ⅱ下第三强度应力分布图
1.路径PATH1上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0097.88235.50合格
2.路径PATH2上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00102.1235.50合格
3.路径PATH3上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00117.0235.50合格
4.路径PATH4上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0062.88235.50合格
5.路径PATH5上的一次总体薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0061.71157.00合格
6.路径PATH6上的一次局部薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0038.42265.50合格
7.路径PATH7上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0051.10265.50合格
8.路径PATH8上的一次薄膜加弯曲薄膜应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0088.79265.50合格
5.6工作工况下应力评定
图18工作工况下第三强度应力分布图
1.路径PATH1上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0086.37471.00合格
2.路径PATH2上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00112.6471.00合格
3.路径PATH3上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0057.08471.00合格
4.路径PATH4上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.0075.06471.00合格
5.路径PATH5上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
16MnR常温157.00118.3471.00合格
6.路径PATH6上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0061.92531.00合格
7.路径PATH7上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0062.67531.00合格
8.路径PATH8上的一次加二次应力强度评定:
材料温度Sm运算应力许用极限KSm结论
00Cr22Ni5Mo3N常温177.0083.38531.00合格
6数值结果
6.1.1设计工况下沿路径PATH1应力线性化数值结果
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=L1DSYS=0
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=61895OUTSIDENODE=61894
LOADSTEP0SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-4.86332.5072.97-0.4899-0.6168E-01-4.728
S1S2S3SINTSEQV
73.2632.50-5.15578.4167.93
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I4.848-2.838-7.7300.1012-0.3193E-020.8672
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O-4.8482.8387.730-0.10120.3193E-02-0.8672
S1S2S3SINTSEQV
I4.909-2.840-7.79012.7011.09
C0.0000.0000.0000.0000.000
O7.7902.840-4.90912.7011.09
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-0.1461E-0129.6665.24-0.3887-0.6487E-01-3.860
C-4.86332.5072.97-0.4899-0.6168E-01-4.728
O-9.71135.3380.70-0.5911-0.5849E-01-5.595
S1S2S3SINTSEQV
I65.4729.66-0.247365.7256.99
C73.2632.50-5.15578.4167.93
O81.0535.34-10.0691.1178.90
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-0.68140.35771.372-0.1466E-010.6313E-020.9123
C0.1005-0.1585-0.36800.3903E-02-0.3571E-02-0.4989
O0.27920.27630.9992E-01-0.9545E-030.7970E-021.083
S1S2S3SINTSEQV
I1.7190.3579-1.0282.7472.379
C0.4175-0.1585-0.68491.1020.9551
O1.2770.2763-0.89762.1741.885
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-0.696030.0266.61-0.4033-0.5856E-01-2.948
C-4.76232.3472.60-0.4860-0.6525E-01-5.227
O-9.43235.6180.80-0.5920-0.5052E-01-4.511
S1S2S3SINTSEQVTEMP
I66.7430.02-0.830267.5758.590.000
C72.9632.34-5.12078.0867.63
O81.0335.62-9.66590.6978.540.000
6.1.2设计工况下沿路径PATH2应力线性化数值结果
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=L2DSYS=0
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=63359OUTSIDENODE=63380
LOADSTEP0SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
2.95144.5968.11-0.5411-0.8036E-01-5.980
S1S2S3SINTSEQV
68.6544.592.40066.2558.09
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I6.6534.22916.850.2576E-01-0.1463-12.62
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O-6.653-4.229-16.85-0.2576E-010.146312.62
S1S2S3SINTSEQV
I25.364.229-1.85427.2224.74
C0.0000.0000.0000.0000.000
O1.854-4.229-25.3627.2224.74
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I9.60448.8184.96-0.5153-0.2266-18.60
C2.95144.5968.11-0.5411-0.8036E-01-5.980
O-3.70140.3651.25-0.56680.6589E-016.635
S1S2S3SINTSEQV
I89.3048.825.25884.0472.80
C68.6544.592.40066.2558.09
O52.0440.36-4.49856.5451.70
**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I8.74610.2025.00-0.12850.1214-18.73
C-1.582-1.699-4.1520.8281E-020.3240E-013.742
O3.2122.7106.025-0.7267E-02-0.4568E-01-6.263
S1S2S3SINTSEQV
I37.2910.20-3.54440.8335.99
C1.090-1.699-6.8237.9136.952
O11.042.710-1.80112.8411.28
**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I18.3559.01110.0-0.6438-0.1052-37.32
C1.36942.8963.96-0.5328-0.4796E-01-2.238
O-0.489543.0757.28-0.57410.2021E-010.3721
S1S2S3SINTSEQVTEMP
I123.259.025.062118.2102.50.000
C64.0442.891.28362.7555.30
O57.2843.07-0.499457.7852.150.000
6.1.3设计工况下沿路径PATH3应力线性化数值结果
PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=L3DSYS=0
*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****
INSIDENODE=63373OUTSIDENODE=63380
LOADSTEP0SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
3.05350.0654.56-0.59760.7509E-014.446
S1S2S3SINTSEQV
54.9450.072.66552.2750.02
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I8.6995.915-11.950.6406E-010.13119.062
C0.0000.0000.0000.0000.0000.000
O-8.699-5.91511.95-0.6406E-01-0.1311-9.062
S1S2S3SINTSEQV
I12.115.914-15.3727.4824.96
C0.0000.0000.0000.0000.000
O15.37-5.914-12.1127.4824.96
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I11.7555.9842.60-0.53350.2
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