管壳式换热器管束结构断裂原因分析及改进设计.pdf

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管壳式换热器管束结构断裂原因分析及改进设计

管壳式换热器管束结构断裂原因分析及改进设计 郭臻,王彬,郑小平+ (清华大学航天航空学院T挫力学系,北京100084) 摘要:管壳式换热器是化工机械中的关键设备。在设计中,需要严格控制整体结构的应力水平,保证内部细管在 长期T作状态下不发生断裂破坏。本文采用囱’限元方法对某型号换热器在丁作状态下进行了分析计算,并结合实 际生产中细管局部发生裂纹的现象,分析了导致细管发生断裂的主要原因。在此雉础.1-.,提}}j了一种改进设计方 案,通过有限元计算,发现改进结构比原结构的应力水平有明显下降。 关键词:换热器;氧气混合器:管板;管柬;断裂;有限元方法 1引言 在各种换热器中,钢制管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强等优点在换热器的生产和使 用中一直占主导地位。对于一个石油化工联合企业,换热器通常占设备总重量的30%以上…。jI:作状态F, 换热器内部温度高、压力大。如果发生物料混合,则可能引发物料氧化爆炸,造成生产事故。可见,换热 器的可靠性和安全性至关重要。但在实际生产中,由于换热器结构的复杂性和使用条件的多样性,常出现 多种形式的失效幢’。其中,以振动引起的疲劳破坏最为常见。据不完全统计,因振动损坏的换热器几乎占损 坏总数的30%口’。各种压缩泵的振动以及物料不均匀是引起振动的主要原冈。这些振动在实际中难以避免。 为了保证内部细管在长期振动状态下不发生裂纹甚至断裂等疲劳破坏现象,在设计过程中需要尽可能降低 结构的整体应力水平。 本文首先对某型号换热器进行有限元建模,在给定载荷条件以及约束条件下通过有限元分析软件 ANSYS进行了分析计算,得到了换热器管束结构的应力分布。然后根据计算得到的应力分布情况,分析了 换热器疲劳失效的原因,提出了一种延长换热器使用寿命的改进方案。并且对改进方案在同样条件。卜.进行 了应力分析。结果表明,改进方案在降低应力水平方面可行有效,对延长换热器结构的疲劳寿命效果显著。 2数值分析方法及条件 2.1有限元方法的基本方程 换热器的设计规范在GB 分析方法;2)实验方法:3)数值分析方法。其中,理论分析方法根据弹性力学理论将换热器进行合理简化, 以便得到适合于一般情况的设计公式,我国国家换热器设计标准中采用的是这种方法…。实验方法可以得 到准确的结果。但由于实验方法成本较高,不利于得到一般性的设计公式,实验方法的推广受到一定限制。 过去,由于受计算机硬件水平的限制,数值方法只局限于对换热器管板的局部进行分析哺1。近年来,随着 计算机硬件的发展和有限元方法的成熟,数值方法已经可以对整个换热器的工作环境进行模拟,进行精确 的应力分析。数值方法已经成为换热器设计中更加有效的方法。 本文采用有限元方法对换热器进行改进设计,根据有限元方法的经典理论建立有限元基本方程为 陋】【口】=【门 (2.1) 式中[a]为整体结构的结点位移向量,【K】和【门分别为整体刚度矩阵和整体载荷向量,具体表达式如下 作者简介:彝臻(1982)。男,吉林人,硕士乍.主要从事计算力学与计算丁程研究 .土彬(1983),男。山东人,硕七生,上要从事计算力学与计算T程研究 ·I.239 f阳=t1。 1∽:∑【厂『 弭中 【Ir=fI卯fDⅡIB]dV (23) UI。=【…‘[7瑚+I.ix]‘[g]dv %∞ 式_.[B]儿出儿¨方样确定册商变矩阼。rDj为弹性矩阵:阿】手¨f亭】分制为作¨j茫单元上的面句向量币f体 -向量:。蜘山形函拙砸阵, 整体戢荷向鼓fSI可纠进步写成 [,jI眈】+[工.】+[‘:1 ‘2叫 其中,【工j烂正力载荷:【厶,】娃细管内物抖压力载荷:【‘:j娃细符外物}:}际力裁荷一 2 2载荷条件与约束条件 本文采j{|的汁算艇型为菜型

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