基于ANSYS的受熱設(shè)備全過(guò)程模擬計(jì)算

姜 垠

（湖南漢華京電清潔能源科技有限公司，湖南湘潭 411100）

加熱設(shè)備是化工設(shè)備中一種主要設(shè)備，對(duì)于加熱類設(shè)備，設(shè)備設(shè)計(jì)人員常見(jiàn)做法就是考慮材料、壓力、溫度是否匹配并給出計(jì)算壁厚作為設(shè)備設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。引用GB/T150-2011計(jì)算壁厚的計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)：在符合壁厚公式計(jì)算條件下，設(shè)備的壁厚只與具體的某幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)，公式并沒(méi)有考慮到設(shè)備具體可能產(chǎn)生的受熱情況、時(shí)間及加熱方式等一系列的中間過(guò)程。這就要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)均充分了解設(shè)備可能的運(yùn)行工況以及特殊工況并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮其影響。

本文基于ANSYS軟件建立設(shè)備結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)實(shí)例描述受熱設(shè)備中間過(guò)程給設(shè)備造成失效的影響，以此來(lái)提醒設(shè)備設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮設(shè)備全部可能的運(yùn)行工況。

1 工況描述

如圖1 中所示，某實(shí)驗(yàn)裝置為套管式結(jié)構(gòu)，外部纏繞電加熱元件進(jìn)行加熱，保證內(nèi)管內(nèi)物料在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中恒溫320℃，內(nèi)管與外管之間為保證內(nèi)管加熱均勻設(shè)置一惰性氣體層密閉于環(huán)隙中。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天操作一次，在外部電加熱器（功率 600W）作用下，內(nèi)筒升到 320℃，保溫一定的時(shí)間，然后冷卻至室溫，如此重復(fù)操作20個(gè)月（循環(huán)次數(shù)并未達(dá)到JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中限定的1 000次）。如直接引用GB/T150壁厚計(jì)算公式，上圖中的壁厚完全能夠保證強(qiáng)度，但進(jìn)行具體加熱分析時(shí)根據(jù)實(shí)際情況考慮疲勞將會(huì)是完全相反的結(jié)果。

本報(bào)告采用有限元應(yīng)力分析的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置參照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、ASME VIII.2 Ed 2015 中相關(guān)章節(jié)進(jìn)行分析。

內(nèi)外套管的材料均為GB/T14976標(biāo)準(zhǔn)的S31603管材，其在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力取自 GB/T150.1，其值為：Stm=84MPa。考慮到裝置承受交替加熱的循環(huán)載荷，故考慮以下兩種分析。

1.1 強(qiáng)度分析

考慮結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓、溫差載荷作用下的強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；按JB4732-1995中相關(guān)章節(jié)要求，對(duì)于考慮溫度載荷作用下，其一次加二次應(yīng)力的許用極限為 3Stm（=3×84=252MPa）；在進(jìn)行該項(xiàng)分析時(shí)，主要考察結(jié)構(gòu)是否滿足本項(xiàng)要求。

1.2 疲勞分析

外夾套外表面在加熱器多次加熱下，判斷結(jié)構(gòu)是否處于安定狀態(tài)及多次循環(huán)狀態(tài)下是否會(huì)有不可控的塑性應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

從“1）強(qiáng)度分析”可知，由于內(nèi)管與外管有著近 200℃的溫差，會(huì)在外管與內(nèi)管墊板的角焊縫處由于熱膨脹差引起較大的溫差應(yīng)力，該應(yīng)力是交變的，由于該處的操作溫度已經(jīng)超過(guò)JB 4732中不銹鋼材料的疲勞曲線適用范圍，故參照ASME VIII.2 中相關(guān)章節(jié)，對(duì)該處進(jìn)行安定性判定。在進(jìn)行此分析過(guò)程中，材料本構(gòu)采用 Ramberg-Osgood 模型，考察4個(gè)操作循環(huán)內(nèi)，外夾套管與墊板焊趾處的應(yīng)力、塑性應(yīng)變，并參照 ASME VIII.2進(jìn)行評(píng)定。

2 幾何模型

如圖2所示，由于該實(shí)驗(yàn)裝置為軸對(duì)結(jié)構(gòu)，考慮到對(duì)稱性，采用軸對(duì)稱模型對(duì)其建立有限元模型并進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖2 軸對(duì)稱模型

3 單元?jiǎng)澐?/h2>

如圖3所示，采用PLANE182單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在端部外夾套與內(nèi)筒的連接墊板處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

圖3 模型單元網(wǎng)格劃分

4 邊界及加載

4.1 溫度場(chǎng)分析

如圖4 所示，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，加載邊界：

（1）內(nèi)管內(nèi)表面施加對(duì)流邊界：由于有少量的氣體流動(dòng)，該處表面施加對(duì)流給熱膜系數(shù)；

（2）外夾套外表面與電加熱器緊密貼合，輸入熱流功率：600W；

（3）夾層內(nèi)氣體由于無(wú)流動(dòng)，不考慮對(duì)流傳熱，僅考慮熱輻射，施加輻射邊界。

圖4 溫度場(chǎng)分析邊界及加載

4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

4.2.1 邊界

（1）套管下表面限制其軸向位移為 0；

（2）套管蓋板與軸線重合處限制其徑向位移為 0；

4.2.2 加載

（1）內(nèi)管內(nèi)表面物料操作狀態(tài)下的壓力；

（2）夾層內(nèi)腔操作狀態(tài)下的壓力。

圖5 應(yīng)力場(chǎng)分析邊界與加載

5 有限元分析結(jié)果

5.1 強(qiáng)度分析

靜態(tài)溫度場(chǎng)溫度分布云圖如圖6 中所示。可以看出在外加熱器作用下，內(nèi)筒可以獲得穩(wěn)定的320℃實(shí)驗(yàn)條件。

圖6 靜態(tài)溫度場(chǎng)溫度分布云圖

如圖7所示，在溫度場(chǎng)及內(nèi)壓同時(shí)作用下，套管處最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)出現(xiàn)在外套管與內(nèi)管墊板連接焊縫的焊趾處，從該處取應(yīng)力線性化處理路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，可以得到沿著焊腳最短路徑下的各項(xiàng)應(yīng)力強(qiáng)度值。

圖7 應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

應(yīng)力線性化處理路徑結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 應(yīng)力線性化處理路徑結(jié)果

5.2 疲勞強(qiáng)度分析

夾套管外表面按 4 個(gè)操作循環(huán)輸入 600W 熱流功率，可以采用軟件提供的功能追蹤得到內(nèi)管、夾套管溫度-時(shí)間變化曲線如圖9所示。

10多年后，那是藍(lán)潔瑛和香港電影的時(shí)代。人們聽(tīng)說(shuō)過(guò)藍(lán)潔瑛的瘋癲，感嘆美人遲暮，當(dāng)她孤身死在香港的公屋里，最為大眾知曉的是《大話西游》中美艷的妖精。1995年，又一代人的青春。

圖9 內(nèi)管、夾套管溫度-時(shí)間變化曲線

對(duì)結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)（位于外夾套管與內(nèi)管墊板焊趾處）對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，追蹤其von-Mises 應(yīng)力-時(shí)間變化曲線、塑性應(yīng)變-時(shí)間、von-Mises應(yīng)力-塑性應(yīng)變變化曲線如圖10，圖11，圖12中所示。

圖10 內(nèi)管、夾套管是最大 von-Mises 應(yīng)力-時(shí)間變化曲線

圖11 最大塑性應(yīng)變-時(shí)間曲線

圖12 von-Mises 應(yīng)力-應(yīng)變滯洄曲線

從圖11中可以看出，每一次加卸載循環(huán)，均有新的塑性應(yīng)變?chǔ)う舙增量產(chǎn)生，同時(shí)從圖12可以看出，每一次加載、卸載循環(huán)操作，其應(yīng)力-應(yīng)變滯洄曲線未形成閉環(huán)。

6 評(píng)定

過(guò)程分析

1）在當(dāng)前操作溫差作用下，結(jié)構(gòu)上的過(guò)焊趾且垂直于角焊縫外表面的路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化處理后，得到的一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度pm+pb+Q=864.27MPa＞＞3Stm，表明該路徑強(qiáng)度按JB4732中對(duì)一次加二次應(yīng)力的評(píng)定是無(wú)法通過(guò)的，焊縫在長(zhǎng)期操作狀態(tài)下是不安全的。

2）結(jié)構(gòu)處于非安定狀態(tài)，多次加載、卸載將產(chǎn)生塑性應(yīng)變的累積。

根據(jù) ASME VIII.2 Ed 2015 中彈塑性分析的相關(guān)章節(jié)，如果在多次反復(fù)加載過(guò)程中，出現(xiàn)累積的塑性應(yīng)變?cè)隽浚瑒t結(jié)構(gòu)處于不安定狀態(tài)，從圖11和圖12 可知，是不滿足安定狀態(tài)要求；

多次加載，在給定循環(huán)次數(shù)下焊趾處的塑性應(yīng)變?cè)隽靠梢园聪旅娴姆椒ㄟM(jìn)行計(jì)算： 在多次加載、卸載情況下，其總的塑性應(yīng)變累積量計(jì)算如下：

其中：

n為循環(huán)次數(shù)，每天一次加卸載計(jì)，則n=20×30=600

則在使用過(guò)程累積的總的塑性應(yīng)變：

εp，total＝600×0.003 1=1.86 ＞＞ 材料的拉斷伸長(zhǎng)率！！是肯定發(fā)生破壞的。

6.2 評(píng)定結(jié)果

1）夾套管與內(nèi)管墊板連接的環(huán)向角焊縫強(qiáng)度，在實(shí)際操作溫差下，沿最短承載截面上應(yīng)力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)許用值，強(qiáng)度不滿足要求；

2）該角焊縫焊趾處，在多次加卸載循環(huán)下，按失效前已經(jīng)使用的循環(huán)次數(shù)計(jì)算，累積的塑性應(yīng)變已經(jīng)大于材料的拉斷伸長(zhǎng)率（對(duì)于不銹鋼通常是 ≥40%）是肯定會(huì)發(fā)生破壞的。

7 結(jié)論

1）利用ANSYS軟件建立設(shè)備有限元模型，利用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，由JB4732-1995設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出強(qiáng)度判定。計(jì)算結(jié)果表明，在常規(guī)設(shè)計(jì)方法無(wú)法進(jìn)行溫度計(jì)算且無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，應(yīng)力分析法能準(zhǔn)確模擬出設(shè)備各處的溫度場(chǎng)，根據(jù)溫度場(chǎng)可能產(chǎn)生的溫差計(jì)算內(nèi)筒的應(yīng)力值，此時(shí)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的結(jié)果完全相反，給出了不合格的判定。

2）考慮溫差較大的情況下也有較多的循環(huán)次數(shù)，根據(jù)ASME VIII.2 Ed 2015 中彈塑性分析的相關(guān)章節(jié)對(duì)材料進(jìn)行疲勞計(jì)算給出材料將會(huì)失效的判定。

3）設(shè)計(jì)人員對(duì)加熱類設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要仔細(xì)研究設(shè)備可能遇到的各種工況，特別是中間過(guò)程均需給予考慮，不能只以正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定工況進(jìn)行計(jì)算而給出錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)。