150 m2蒸發(fā)器蒸發(fā)室封頭法蘭應(yīng)力分析

武 軍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

150 m2蒸發(fā)器蒸發(fā)室封頭法蘭應(yīng)力分析

武 軍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

150 m2蒸發(fā)器是一種高效換熱設(shè)備，蒸發(fā)室是此設(shè)備重要部件。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，確定筒體壁厚、法蘭形式、封頭厚度選取的可行性和合理性。ANSYS命令流完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，可廣泛地運(yùn)用于壓力容器封頭法蘭的應(yīng)力分析。

法蘭連接結(jié)構(gòu)； 有限元； 應(yīng)力分析； 參數(shù)化設(shè)計(jì)

0 概述

150 m2蒸發(fā)器蒸發(fā)室的工作壓力為0.5 MPa,設(shè)計(jì)壓力為0.625 MPa。因此, 本蒸發(fā)室是一臺(tái)承受內(nèi)壓作用的壓力容器。

根據(jù)GB150—2011《鋼制壓力容器》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按照有限元法對(duì)蒸發(fā)室整體應(yīng)力分析，并根據(jù)JB4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。

1 有限元模型建立

1.1 有限元模型

按照J(rèn)B4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，通常核算不考慮腐蝕余量因素，本文以2 mm的腐蝕余量為基礎(chǔ)，封頭和筒體選用厚度12 mm，故接下來的操作中相對(duì)應(yīng)厚度均需要減薄2 mm至10 mm。

(1)封頭尺寸要求：直徑為2000 mm，壁厚10 mm。

(2)筒部尺寸要求：內(nèi)部直徑2000 mm，壁厚度10 mm，總長(zhǎng)度5250 mm，本文考慮了封頭和法蘭局部的情況，所以筒體長(zhǎng)度只考慮150 mm。

(3)法蘭尺寸要求：上下法蘭為長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，內(nèi)徑為2000 mm，外徑為2160 mm，厚度為76 mm，有限元模型見圖1。

圖1 法蘭有限元模型

在本文分析中，因結(jié)構(gòu)繞軸向(Y軸方向)具周期對(duì)稱性特征，而其約束、載荷也具完全對(duì)稱的特性，故只取其中1/60的結(jié)構(gòu)(即1個(gè)螺栓孔結(jié)構(gòu)大小)進(jìn)行實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析。模型用三維立體單元(單元號(hào)Solid45)對(duì)封頭、筒體和法蘭三部分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,如圖2所示。

圖2 1/60結(jié)構(gòu)整體有限元模型

1.2 載荷、約束

載荷要求：

設(shè)備設(shè)計(jì)內(nèi)部壓為0.625 MPa，相對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)溫度則為169 ℃。

約束要求：

在筒體、封頭和法蘭三部分內(nèi)面加載內(nèi)壓0.625 MPa；分別在所取部分的兩個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束；同時(shí)在筒體下部加Y方向的約束；按照J(rèn)B4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，在計(jì)算墊片預(yù)緊力時(shí)，需在法蘭的密封面上施加等效壓力1.44 MPa并在螺栓孔內(nèi)面施加完全約束。

1.3 所用軟件

ANSYS軟件，一款在國(guó)際上運(yùn)用廣泛的有限元軟件。

2 有限元分析與強(qiáng)度校核(內(nèi)壓作用下)

整個(gè)結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下的變形如圖3所示，應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖4所示；法蘭在內(nèi)壓作用下的變形如圖5所示，應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖6所示。

圖3 模型在內(nèi)壓作用下的總體位移分布云圖

圖4 模型在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖5 法蘭在內(nèi)壓作用下的總體位移分布云圖

圖6 法蘭在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

2.1 強(qiáng)度校核的依據(jù)

JB4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》已作要求：應(yīng)力強(qiáng)度大小為最大剪應(yīng)力的二倍，強(qiáng)度校核理論為最大剪應(yīng)力理論，公式如下：

S=max {|S12|,|S23|,|S31|}

(1)

式中S12=σ1-σ2，S23=σ2-σ3，S31=σ3-σ1;

應(yīng)力強(qiáng)度大小：S;

主應(yīng)力大小：σ1、σ2、σ3。

設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值kSm應(yīng)大于一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ，公式如下：

SⅠ≤kSm

一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度值SⅡ小于等于許用值為1.5kSm，公式如下：

SⅡ≤1.5kSm

一次局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度之和SⅢ的許用值大小為1.5kSm，公式如下：

SⅢ≤1.5kSm

一次局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力再加上二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度之和SⅣ的許用值大小為3kSm，公式如下：

SⅣ≤3kSm

一次局部應(yīng)力與二次應(yīng)力以再加峰值應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度之和SⅤ的許用值大小為Sa，公式如下：

SⅤ≤Sa

依照J(rèn)B4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表1說明要求，k為載荷組合系數(shù)；Sa定義為材料在一定量循環(huán)次數(shù)下疲勞許用應(yīng)力的強(qiáng)度值大小；Sm定義為材料在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值。

因計(jì)算SⅠ～SⅤ需要，應(yīng)依據(jù)載荷形式、構(gòu)件結(jié)構(gòu)以及有限元計(jì)算的結(jié)果，選擇相對(duì)關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)并且沿其厚度方向作出應(yīng)力校核線，并對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行線性化處理，最終根據(jù)以上所述各項(xiàng)規(guī)定對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.2 材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度

16MnR為本蒸發(fā)室所用主要材料，依據(jù)JB4732—95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定， Q345R在200°以下設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度大小為183 MPa。

2.3 強(qiáng)度校核

本文分析中，k=1為載荷組合系數(shù)。依據(jù)本設(shè)備結(jié)構(gòu)、對(duì)應(yīng)載荷形式和有限元計(jì)算的結(jié)果，應(yīng)力校核線沿厚度方向選取(見圖7、8、9、10)，線性化處理其中應(yīng)力強(qiáng)度。再根據(jù)以上規(guī)定對(duì)設(shè)備強(qiáng)度校核(見表1)。

圖7 路徑1映射示意圖

3 結(jié)論

(1)由模型在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布云圖可知，應(yīng)力最大位置發(fā)生在法蘭封頭和筒體連接處，封頭與法蘭之間的筒體直段可降低應(yīng)力集中，改善法蘭與封頭連接處的受力情況。

圖8 路徑2映射示意圖

圖9 路徑3映射示意圖

圖10 路徑4映射示意圖

(2)由強(qiáng)度校核結(jié)果可以看出，依據(jù)GB150—2011常規(guī)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)室各個(gè)位置所承受應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)小于JB4732—95分析設(shè)計(jì)所規(guī)定許用值，若以JB4732—95作為設(shè)計(jì)依據(jù)，可適當(dāng)降低壁厚。

(3)當(dāng)設(shè)計(jì)超出GB150—2011所涉及范圍時(shí)，如大開孔等，可采用分析設(shè)計(jì)方法解決。

表1 應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算及其校核

[1] 鄧肖明，趙軍．快開式蒸汽壓力蒸煮鍋國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)鍋爐壓力容器安全，2001.

[2] GB150—2011，鋼制壓力容器[S].

[3] JB4732—1995，鋼制壓力容器―分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Stress Analysis of Head Cover Flange of 150 m2Evaporator Cell

WU Jun

150 m2evaporator is a high efficient heat exchanger, evaporator cell is the important part of the equipment. This paper analyses the stress by ANSYS software, to determine the feasibility and rationality of cylinder thickness, flange form and head cover thickness. ANSYS commands are fully parameterized, can be widely applied in stress analysis of pressure vessel flange.

flange connected structure； finite element； stress analysis； parameterization

2015-02-01

武軍(1982-)，男，江蘇南京人，工程師，碩士研究生，主要從事有色冶煉行業(yè)濕法冶煉設(shè)備設(shè)計(jì)。

TB657

A

1003-8884(2015)02-0026-04