板翅式换热器封头许用接管外载荷计算方法及应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-11-29 9:50:38 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

封头除了承受工作时流动介质产生的内部压力外,还承受外部配管重量以及安装过程中装配误差和工作过程中的温度波动所产生的附加载荷,这些附加载荷称为接管外载荷(以下简称接管载何)。

    接管载荷在封头上引起的应力,叠加上内压引起的应力使得封头应力状态很复杂,更容易发生失效,因此,为了换热器安装施工前进行配管合理布置和使用过程中限制接管载荷大小的需要,有必要建立接管载荷强度计算的方法,为用户提供许用接管载荷大小。封头结构应力分析是接管载荷强度计算的基础,而封头应力计算比较复杂。一方面,如图1所示,封头有不同的结构,接管有不同的布置方向,另一方面,封头与接管连接处以及封头本体存在结构不连续性。传统的封头应力计算采用解析法,这方面的工作可见文献[2,3]。解析法存在计算过程复杂、计算精度不高的缺点,迄今尚未有可求解复杂结构、精度高、可靠和统一的封头应力解析算法。现代封头设计实践越来越多地采用原型实测和有限元法[4,5]进行分析计算。文献[6,7]应用有限元法对接管载荷进行了研究,分析了接管力和接管力矩组合作用下各载荷分量的相互关系,但未对接管载荷强度设计问题进行研究。

    综合上述分析,板翅式换热器接管载荷强度计算是工程上亟待解决的问题,下面采用ASMEⅧ2压力容器设计规范和分析设计法[8],提出一个用于工程设计的接管载荷强度验算公式和应用有限元技术计算许用接管载荷的方法,并通过算例给出了封头接管载荷分量对封头强度的影响规律和许用接管载荷数值。


    1 接管载荷强度设计和许用接管载荷计算方法

    11 组合接管载荷关系分析[7]

    文献[7]采用有限元法,针对承受内压的准球形封头,分析了施加组合接管载荷后的的结构应力、变形和极限接管载荷,结构应力和应变采用弹性/理想塑性本构关系,并通过变形/载荷关系曲线确定极限接管载荷。图2是该文献的接管载荷分量简图,Mi、M0是接管弯曲力矩,T是接管扭矩,F是接管轴向力,P是内压。

    图3是接管轴线相对封头轴线处于三个不同位置时,组合接管弯曲力矩极限载荷关系曲线,曲线近似于1/4圆,其关系可表示为:

             

    式中:MIL、MOL一接管弯曲力矩单独作用时的极限载荷。此外组合轴向力与弯曲力矩的极限载荷关系曲线与图3类似,因此,对于承受内压的封头,其组合极限接管载荷关系都可表示为类似于式(1)的平方和关系式。以组合接管载荷关系曲线和关系式为基础,下面对工程中接管载荷强度设计问题进行分析。

    12 接管载荷强度设计  

    图4表示了接管载荷分析时的坐标系和接管载荷简化后的六个分量Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz,其中Mx和My是接管弯曲力矩,Mz是接管扭矩,Fz是接管轴向力,Fx和Fy是接管剪切力。

    图5表示了不同组合方式的接管载荷极限分量关系,A、B是弯曲力矩/轴向力极限载荷关系曲线、C、D是扭矩/剪切力极限载荷关系曲线。接管载荷强度设计时,工程上常采用合成弯矩和合成剪力,因此图中给出了合成弯曲力矩/轴向力关系曲线E’和扭矩/合成剪切力关系曲线G’(图中两条虚线),曲线E’和G’以下的区域都是安全的。为了工程计算方便,取极限载荷关系斜线E和G,再考虑安全系数,接管载荷安全区域选择斜线H和J以下的部份。图中的符号为:


               

    13 许用接管载荷计算方法  

   式(3)和(4)中许用接管载荷的大小与封头的形状、尺寸和内压都有关系,计算过程是:首先应用有限元分析技术,根据封头极限接管载荷约束条件求出六个极限接管载荷分量FxL,FyL,FzL,MxL,MyL,MzL,再根据(2)式求出极限接管力FL和极限接管力矩ML,最后按下式确定许用接管载荷:

             

    2 接管载荷计算实例

    21 有限元分析模型的建立  

    某公司用于出口的板翅式换热器有8个入口封头和8个对应的出口封头,需要确定各个封头的许用接管载荷,现以入口封头A为例计算。封头和接管材料为SB20950830,许用应力82.7Ma,屈服极限124.1Mpa,弹性模量69000Mpa,设计压力4.585Mpa。封头外径343mm,壁厚15.9mm,接管外径219mm,壁厚15.1mm。

    由于封头外径与内径比值小于1.2,有限元分析时采用线弹性薄壳理论计算弹性名义应力[9,10]。这里采用ANSYS有限元分析软件[11],用三维壳单元分割几何模型,施加内压和接管载荷以及节点约束条件,图6是施加轴向力Fz求解得到的等效应力分布云图。

    22 接管载荷分量对封头强度的影响规律  

    根据上述有限元分析模型的计算结果和应力强度设计理论,进行接管载荷对封头强度的影响进行分析。表1给出了接管载荷分量与对应的开孔接管处和封头端部节点的应力强度(PL+Pb+Q)计算结果,表中接管载荷Fz所对应节点301和219分别是开孔接管处和封头端部危险节点的编号,其他节点是相应载荷所对应的危险节点编号,通过分析表中的数据可以得出接管载荷分量对封头强度的影响规律如下:


    (1) 对开孔接管处,拉伸轴向力使得应力增大,压缩力使得应力减小;对封头端部,拉伸和压缩力都使得应力增大,压缩力的影响更明显;

    (2) 开孔接管处和封头端部的应力随接管弯曲力矩增大而增大,Mx比My影响更明显,从位置来看,开孔接管处影响更明显;

    (3) 开孔接管处和封头端部的应力随剪切力增大而增大,其中Fy影响更明显;

    (4) 开孔接管处和封头端部的应力随扭转力矩增大而增大。

    23 计算许用接管载荷

    231 计算极限接管载荷下面以Fzl为例介绍计算极限接管载荷分量的过程根据表1中编号为301节点的数据做出接管载荷和应力强度(PL+Pb+Q)的关系如图7所示。

    从图中可以看出应力强度(PL+Pb+Q)与接管载荷分量呈线性关系。A点对应的应力强度为2σs,A点对应的轴向力为满足PL+Pb+Q2σs约束条件的极限轴向力FzL,大小为

          

    232 计算许用接管载荷


     根据封头的材质、加工工艺等因素选择接管载荷安全系数,最后得到许用接管载荷为:

                F=66333N,M=12437N.m

    上述计算实例验证了许用接管载荷计算方法的可行性,其计算结果已被公司采用。

 



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