换热器的应力分析报告.docx

1、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,Cl,水）净化气腐蚀裕量mm02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 MPa12.69.9设计温度 oC（最大差）40-20工作载荷工作压力 MPa12.09.4工作温度 oC（最大差）340水压试验水压试验压力012.14水压试验水压试验压力15.750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）泊松比设计应力强度（MPa）壳程筒体16MnR2.06e50.3157管程筒体16MnR2.06e50.

2、3157管板锻件00Cr22Ni5Mo3N2.00e50.3177换热管00Cr22Ni5Mo3N2.00e50.31772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。

3、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

4、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。

5、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04.2 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

6、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

7、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 157.00 78.41 235.50 合格2. 路径PATH2上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:材料

8、 温度 Sm 运算应力 许用极限KSm 结论 16MnR 常温 157.00 84.04 235.50 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 157.00 72.75 235.50 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 157.00 73.24 235.50 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 157.00 119.9 157.00 合格6.

9、 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 177.00 48.19 265.50 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 177.00 72.74 265.50 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 177.00 82.13 265.50 合格5.4水压试验下应力评定图16 水压试验下第三强度应力分布图1

10、. 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 157.00 14.10 235.50 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 157.00 43.31 235.50 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 157.00 82.64 235.50 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

11、常温 157.00 58.54 235.50 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 157.00 141.6 157.00 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 177.00 42.95 265.50 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 177.00 63.88 265.50 合格8. 路径PATH8上的一次薄

12、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 177.00 40.37 265.50 合格5.5水压试验下应力评定图17 水压试验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 157.00 97.88 235.50 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 157.00 102.1 235.50 合格3. 路径PATH3上的一次薄膜加弯曲应力强度评定:材料 温

13、度 Sm 运算应力 许用极限KSm 结论 16MnR 常温 157.00 117.0 235.50 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 157.00 62.88 235.50 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 157.00 61.71 157.00 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 177.00 38.42 265.50

14、 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 177.00 51.10 265.50 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 177.00 88.79 265.50 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 157.00 86.37 471.00 合格2. 路径

15、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 157.00 112.6 471.00 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 157.00 57.08 471.00 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 157.00 75.06 471.00 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 157.00

16、118.3 471.00 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 177.00 61.92 531.00 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 177.00 62.67 531.00 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 177.00 83.38 531.00 合格6数值结果6.1.1设计工况下沿路径PAT

17、H1应力线性化数值结果 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= L1 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 61895 OUTSIDE NODE = 61894 LOAD STEP 0 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY

18、SYZ SXZ -4.863 32.50 72.97 -0.4899 -0.6168E-01 -4.728 S1 S2 S3 SINT SEQV 73.26 32.50 -5.155 78.41 67.93 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 4.848 -2.838 -7.730 0.1012 -0.3193E-02 0.8672 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -4.848 2.838 7.730 -0.1012 0.3193E-02 -0.8672 S

19、1 S2 S3 SINT SEQV I 4.909 -2.840 -7.790 12.70 11.09 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 7.790 2.840 -4.909 12.70 11.09 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.1461E-01 29.66 65.24 -0.3887 -0.6487E-01 -3.860 C -4.863 32.50 72.97 -0.4899 -0.6168E-01 -4.728 O -9.71

20、1 35.33 80.70 -0.5911 -0.5849E-01 -5.595 S1 S2 S3 SINT SEQV I 65.47 29.66 -0.2473 65.72 56.99 C 73.26 32.50 -5.155 78.41 67.93 O 81.05 35.34 -10.06 91.11 78.90 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.6814 0.3577 1.372 -0.1466E-01 0.6313E-02 0.9123 C 0.1005 -0.1585 -0.3680 0.39

21、03E-02 -0.3571E-02 -0.4989 O 0.2792 0.2763 0.9992E-01 -0.9545E-03 0.7970E-02 1.083 S1 S2 S3 SINT SEQV I 1.719 0.3579 -1.028 2.747 2.379 C 0.4175 -0.1585 -0.6849 1.102 0.9551 O 1.277 0.2763 -0.8976 2.174 1.885 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.6960 30.02 66.61 -0.4033 -0

22、.5856E-01 -2.948 C -4.762 32.34 72.60 -0.4860 -0.6525E-01 -5.227 O -9.432 35.61 80.80 -0.5920 -0.5052E-01 -4.511 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 66.74 30.02 -0.8302 67.57 58.59 0.000 C 72.96 32.34 -5.120 78.08 67.63 O 81.03 35.62 -9.665 90.69 78.54 0.000 6.1.2设计工况下沿路径PATH2应力线性化数值结果 PRINT LINEARIZED STRESS

23、 THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= L2 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 63359 OUTSIDE NODE = 63380 LOAD STEP 0 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 2.951 44.59 68.11 -0.5411 -

24、0.8036E-01 -5.980 S1 S2 S3 SINT SEQV 68.65 44.59 2.400 66.25 58.09 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 6.653 4.229 16.85 0.2576E-01 -0.1463 -12.62 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -6.653 -4.229 -16.85 -0.2576E-01 0.1463 12.62 S1 S2 S3 SINT SEQV I 25.36 4.229 -1.854

25、27.22 24.74 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 1.854 -4.229 -25.36 27.22 24.74 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 9.604 48.81 84.96 -0.5153 -0.2266 -18.60 C 2.951 44.59 68.11 -0.5411 -0.8036E-01 -5.980 O -3.701 40.36 51.25 -0.5668 0.6589E-01 6.635 S1 S2 S3 SI

26、NT SEQV I 89.30 48.82 5.258 84.04 72.80 C 68.65 44.59 2.400 66.25 58.09 O 52.04 40.36 -4.498 56.54 51.70 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 8.746 10.20 25.00 -0.1285 0.1214 -18.73 C -1.582 -1.699 -4.152 0.8281E-02 0.3240E-01 3.742 O 3.212 2.710 6.025 -0.7267E-02 -0.4568E-01

27、-6.263 S1 S2 S3 SINT SEQV I 37.29 10.20 -3.544 40.83 35.99 C 1.090 -1.699 -6.823 7.913 6.952 O 11.04 2.710 -1.801 12.84 11.28 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 18.35 59.01 110.0 -0.6438 -0.1052 -37.32 C 1.369 42.89 63.96 -0.5328 -0.4796E-01 -2.238 O -0.4895 43.07 57.28 -0.

28、5741 0.2021E-01 0.3721 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 123.2 59.02 5.062 118.2 102.5 0.000 C 64.04 42.89 1.283 62.75 55.30 O 57.28 43.07 -0.4994 57.78 52.15 0.000 6.1.3设计工况下沿路径PATH3应力线性化数值结果 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= L3 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NO

29、DE = 63373 OUTSIDE NODE = 63380 LOAD STEP 0 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 3.053 50.06 54.56 -0.5976 0.7509E-01 4.446 S1 S2 S3 SINT SEQV 54.94 50.07 2.665 52.27 50.02 * BENDING * I=INSIDE C=CENT

30、ER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 8.699 5.915 -11.95 0.6406E-01 0.1311 9.062 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O -8.699 -5.915 11.95 -0.6406E-01 -0.1311 -9.062 S1 S2 S3 SINT SEQV I 12.11 5.914 -15.37 27.48 24.96 C 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 O 15.37 -5.914 -12.11 27.48 24.96 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 11.75 55.98 42.60 -0.5335 0.2