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某环形管板换热器的有限元分析

李清娟  
【摘要】: 本课题用ANSYS程序,针对管板中间带有中心管(尺寸大于其它换热管)的某固定管板换热器建立了包括壳体、管束在内的三维实体有限元模型并进行了有限元分析计算。 考虑到该换热器管板为延长部分兼作法兰形式,结构复杂。本课题从以下几方面对该设备进行了研究和分析计算。第一,对管板、法兰连接结构建立两种局部有限元模型——考虑非线性问题的模型和将螺栓力作为均布力直接加载的简化模型。在对比分析两种模型计算结果的基础上,制定针对本台换热器的有限元分析建模方案。第二,由于温度载荷的非对称,对换热器建立整体有限元热分析模型,得到正常操作工况下的换热器温度场;第三,对整体结构进行热应力分析,根据温差作用下筒体的轴向位移量校核该设备所用标准膨胀节的热补偿量;第四,依据JB4732-95,对换热器在开、停车及正常操作过程中可能出现的七种工况进行了分析设计校核。 本文得到如下结论:(1)对兼法兰形式的管板做三维有限元应力分析时,在忽略接触等问题的局部影响下,非线性模型和简化模型的应力计算结果相近。(2)带中间管的环形管板温度场与常规换热器管板温度分布规律“表皮效应”相同。(3)固定管板换热器的热应力是影响设备强度的主要因素,热应力大小不仅取决于各元件所选用材料线膨胀系数,更取决于管板、换热管及壳程筒体在操作状态下的金属壁温,因此,准确模拟换热器的温度场,对固定管板换热器进行温度与应力耦合分析非常重要。 分析计算结果表明,该换热器管板及筒体强度校核是安全的,但是管板法兰强度校核未通过。分析原因后提出,通过替换法兰密封垫片材料可以有效地降低法兰强度,使换热器满足强度和工艺要求。


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