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高温管壳式换热器管板的有限元分析

邢芳  
【摘要】: 管壳式换热器是化工、炼油等工业中广泛应用的典型工艺设备,管板是连接壳体、管束和管箱,并承受压力和热膨胀以及来自此三部件载荷的主要部件。在高温的场合下,正确分析管板受力状态,对保证换热器安全运行和节约材料等起着非常重要的作用。 本论文利用ALGOR建立了包括壳体、换热管在内的管板三维实体有限元模型。在此基础上,分析了管板的温度场分布,并按照应力分析设计标准JB 4732-1995分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。 通过温度场分析得到管板上温度的分布规律为:在管板的布管区,管板大部分的厚度上温度接近流经该处换热管的管程流体温度,只在管板靠近壳程流体一侧很薄的一层管板材料内温度才接近该处附近壳程流体温度。这种现象叫做“表皮效应”,管板内沿厚度的温度分布只在壳程一侧表面附近的薄层内形成很大的温度梯度。 通过强度分析表明,温度载荷对管板造成了较大的热应力,而且在温度载荷及压力载荷共同作用的工况,热应力决定了整个管板系统的应力分布;本题研究的管板的危险工况是发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况下,而在壳程压力先停(管程载荷和温度载荷同时作用)和管程压力先停(壳程载荷和温度载荷同时作用)的瞬态工况下也是较危险的工况。 通过分析得知,管板的原始设计在开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度校核均合格。论文对其原始设计方案进行了最终的安全验证。


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