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无锡东进:以储罐及U形管式换热器为研究对象

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1结构组成

本文研究的储罐及U形管式换热器的结构示意图如图1所示。U形管式换热器是一种传热系数非常高的强化传热换热器,可以适用于气―气,气―液,液―液换热。U形管式储罐换热器结构较简单,只有一块管板,在管板上固定着U形换热管束的两端,换热管可以自由伸缩。当U形管式换热器的壳程流体温度与管程流体的温度相差较大时,不会产生温差应力。该换热器结构坚固,且能选用多种材料制造,故适应性极强,尤其在高温,高压和大型装置中得到普遍应用,是一种应用最广泛的热交换设备。

管束可从壳体内抽出,壳侧便于清洗,但管内清洗稍困难,所以管内介质必须清洁且不易结垢。

2有限元分析模型

有限元分析就是要确定所剖分单元的刚度矩阵和质量矩阵,然后利用结构的动力平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新联结起来,形成整体的有限元方程[4]。有限元计算是进行储罐及加热器强度分析的一种非常有效的方法。

罐体由多圈不等厚,不同材料的壁板构成,但各部分材料的密度及弹性模量几乎完全相等,选取弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3。U形管式换热器材质基本选用16MnR,弹性模量为210GPa,泊松比为0.31,密度为7800kg/m3,屈服极限sσ=345MPa.换热器导热系数为56W/(MK),比热容为519J/(kgK),热膨胀系数1.0×10-5℃-1。

2.1单元选取及网格划分

本文分析的储罐及U形管式换热器结构复杂且各部分间的差别较大,针对各部分的结构特点,罐体,换热器和储罐基础分别选用壳单元SHELL163,管单元PIPE16和弹簧单元COMBIN14,底板和储罐基础的接触面采用接触单元contactl74和targetl70.网格模型的建立是进行有限元分析的先决条件,结果的可靠与否主要取决于建立的数学模型是否与实际结构相符。根据储罐及U形管式换热器的结构特点,兼顾计算精度和计算量的要求,在罐壁和U形管式换热器装配处及周围区域进行网格细化,提高有限元分析的精度以保证计算的准确性。网格划分后的储罐及U形管式换热器的有限元模型如图2所示。经过ANSYS的单元质量检测,所有单元均满足畸变要求。

2.2边界条件及载荷设定

对罐底与储罐基础设为相互接触的两个面,储罐基础下部做固定端处理,对其所有节点约束三个方向的位移,使其自由度为0.计算时考虑储罐及加热器所受的重力载荷,温度载荷与流体的压力载荷。

储罐和换热器均有质量,必须考虑重力的影响,对模型赋予一定密度,取重力加速度g=9.8m/s2来实现。

流体的压力载荷施加方法如下:由于单根换热管内的流体重量较轻对整体结构影响较小。本文通过将换热管的密度乘上一个系数,来实现管内流体和换热管的重力载荷一起施加。罐内流体载荷则通过对罐壁和换热器施加相应的面载荷来实现。对于大型原油储罐,储水比正常的储油工况更危险,为此本文进行充满水时储罐的强度分析。对整个模型施加z负方向的重力加速度(g取9.8m/s2)时,大型储罐的圆筒形罐壁承受的储液静压由上至下按三角形形状线性增加。由于水的密度(ρ)为1000kg/m3,所以得到距离液面高度(h)的罐侧壁承受的储液压力(P)为:ghPρ=(1)

温度载荷通过对模型赋予一定的热膨胀率与温度变化来施加。

3有限元结果分析

3.1无补强措施

将上述分析的各种约束和载荷共同作用于无补强措施的储罐及加热器模型,得到对应的VonMises应力(第四强度理论)云图和位移云图。

储罐及U形管式换热器的整体应力不大,但应力集中非常明显,尤其在储罐与U形管式换热器装配处存在严重的应力集中现象,主要是因为该处要承受换热器的重力和由重力在此处产生的弯矩,这与实际所受应力情况相符。由应力云图可以看出储罐及U形管式换热器的最大节点应力分别达到272MPa和344MPa,虽未超过储罐及U形管式换热器的屈服极限345MPa,但已经超过许用应力259MPa.因此储罐及U形管式换热器的强度不满足设计要求。

U形管式换热器的最大位移点发生在最里端的弯管处,主要是由于重力使换热器产生竖直拉伸且换热器又重又长,最大位移量为0.2055m,最大变形相对较大。储罐的最大位移点发生在与U形管式换热器装配处,主要是由于此处罐壁受到换热器的重力和由重力在此处产生的弯矩,最大位移量为0.0158m,最大变形也不小。因此储罐及U形管式换热器的设计值是不安全的,必须采取相应的改进储罐及U形管式换热器有限元分析:本文应用ANSYS软件对储满水时的大型储罐及U形管式换热器进行有限元强度分析计算,得到储罐及换热器的应力和位移等分布情况。为储罐及换热器的整体强度的强度分析提供了较为准确的有限元分析方法和相关数据,并根据有限元分析结果采取相应的补强措施。计算结果表明,有限元法的分析结果是准确可靠的。从而为优化结构设计和减少反复设计提供了参考依据,具有较为重要的工程实用价值。

3.2补强处理

针对上述无补强措施的储罐及U形管式换热器的受力和变形情况,本文对储罐,U形管式换热器及储罐基础分别采用相应的补强措施。

(1)储罐厚壁管补强。

大开孔结构的开孔边缘弯曲效应较大,其应力集中系数较大,厚壁管所增加的补强面积正好处于最大应力区域的开孔边缘,能有效地降低孔边应力集中。其次,厚壁管与罐壁形成整体,其组织与性能容易得到保证,焊接残余应力较小,抗疲劳性能得到大大提高,同时避免了因传热而形成的温差应力,对高温和低温环境都可以采用。最后,厚壁管补强施工操作方便。因此本文对设计的储罐开孔处如安装换热管处,人孔处等进行厚壁管补强。

(2)换热器鞍式支座。

鞍式支座(如图1所示),由一块鞍形板,两块支撑板,一块底板及一块竖板组成。本文补强设计时,为U形管式换热器安装两个材质为Q235B的鞍式支座,管束充水后总重约为10kN,每个支座所承受静载荷为5kN,依照JB/T4712.1-2007标准释义计算允许载荷[]kN9.29=Q.鞍式支座的实际所受载荷小于计算允许载荷,因此结构满足强度要求,补强设计合格,可以安全使用。

(3)储罐基础。

储罐基础必须具有足够的整体稳定性,均匀性和平面抗弯刚度,加强罐壁正下方基础构造的刚度,支持底板的基础应富于柔性,以吸收焊接变形,同时必须保证罐底变形在变形允许范围内且小于换热器变形,以防止鞍式支座与换热器脱离失去支撑保护作用。

施加上述三方面的补强措施后,储罐及U形管式换热器的应力集中现象得到明显改善,结构强度均满足设计要求,可以安全使用,具体计算不再赘述。

4结语

(1)本文以储罐及U形管式换热器为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件,给出了储罐及U形管式换热器的三维建模和边界条件的处理方法,得到了储罐及U形管式换热器各部分的应力分布及位移变形情况,为储罐及U形管式换热器的应力分析和改进设计提供了新的计算模型。

(2)理论计算非常复杂且只能求得危险区域的平均应力,无法直观反映应力集中现象,只能靠较大的安全系数来保证设备的安全工作。而基于有限元的ANSYS计算方法更直观,更精确,更可靠,采用相应的措施也更有针对性,更经济,更安全。

(3)基于有限元的ANSYS计算方法能够真实反映储罐及U形管式换热器的受力状态,从而为储罐及U形管式换热器的结构设计,补强措施提供依据。这样就缩短了设计周期,提高了设计效率,具有较为重要的工程应用价值。