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管壳式换热器弹塑性有限元分析若干问题研究

胡玉红  
【摘要】: 管壳式换热器广泛应用于石油石化生产过程,是发生失效最多的设备之一,特别是在分析设计方法和胀接工艺中,复杂应力分析和强度评价、开孔管板等效实心板、管板与换热管胀接与工作条件影响仍存在问题。为此,本文采用弹塑性有限元分析和实验方法进行研究。在换热器复杂应力分析和强度评价方面,根据换热器结构和承受载荷的对称性,选取出入口管箱、管板、筒体、换热管等承载结构的一半为研究对象,建立了换热器结构应力分析的三维非线性有限元模型,采用子结构模型,假想截面给定已知位移边界,对壳体与接管区开展弹塑性分析,根据塑性极限载荷计算方法进行强度评价,所设计的换热器已安全运行多年,佐证了计算模型的合理性,为该类设备的复杂应力分析和强度评价提供了计算模型和方法。在开孔管板等效实心板方面,建立了换热器开孔管板结构应力分析的三维有限元模型,研究了管板与换热管胀接、焊接时的数值模拟方法,通过开孔管板模型和等效实心板模型的数值模拟结果对比,得到了管板开孔区域的应力集中系数,并采用主从节点绑定法模拟管板与换热管连接,提出了适用于有限元分析的开孔管板等效实心板的改进方法。在管板与换热管胀接与工作条件影响方面,首先,采用厚壁圆筒弹塑性分析方法,推导了无槽胀接接头分别在加工、工作温度载荷下的残余接触压力计算公式,为胀接过程、工作温度下的力学分析提供了计算方法,也为开槽管板与换热管胀接和工作条件下数值模拟提供了依据。其次,通过开槽胀接接头在不同胀接压力下的数值模拟,得到了接触压力和残余接触压力随胀接压力的增大而增加,当胀接压力达到一定值后,残余接触压力不再有明显变化,开槽位置附近存在较大残余接触压力,能够形成密封环。然后,通过开槽胀接接头在温度载荷下的数值模拟和实验研究,得到拉脱力在不同温度下的数值模拟与实验结果误差低于9.6%,残余接触压力随温度升高呈先增加而后下降变化,沿轴向分布逐步扩展。最后,考虑工作介质温度、压力作用,建立了工作条件下管板与换热管胀接的残余接触压力数值模拟方法,得到了最大残余接触压力随管程压力升高逐渐减小,随壳程压力升高先保持不变,当壳程压力达到临界值后呈快速下降;残余接触压力区沿轴向分布随管程压力变化不大,随壳程压力变化较大,当壳程压力大于临界值时,接触区逐步缩小;拉脱力随管程压力的升高而逐渐增大,随壳程压力的升高先略有降低,当壳程压力大于临界值后迅速下降;在胀接压力160MPa~200MPa胀接的管板与换热管,壳程压力临界值由5MPa增加到25MPa;在壳程压力低于5MPa时,推荐管板与换热管采用强胀接连接。


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