急冷器波纹管设计与非线性有限元分析

1、设计计算文章编号:1000 7466(201005 0018 04急冷器波纹管设计与非线性有限元分析莫 逊,虞 斌(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009摘要:针对某急冷器集流管中波纹管设计强度的理论计算结果,应用Ansys软件,通过非线性有限元分析对其进行了验证,并将二者的结果进行比较,获得了该波纹管受力的特点,确认了该波纹管设计强度理论计算结果的安全可靠性。关键词:波纹管;急冷器;设计;强度;非线性有限元分析中图分类号:TQ050 3;T Q051.501 文献标志码:ADesign and Finite Element Analysis about Bellows of

2、Quench CoolerMO Xun,YU Bin(School of M echanical and Po w er Eng ineering,Nanjing U niversity ofT echno logy,N anjing210009,ChinaAbstract:Aiming at the design and theory of streng th analy sis calculation about the bellow s of quench coo ler,by using Ansy s software to nonlinear finite elem ent anal

3、y sis calculation for the bellow s,its result and theor etical calculation one w ere compared.T he bellow s stress char acteris tic w as obtained its security r eliability w as confirm ed as w ell.Key words:bellow s;quench co oler;design;strength;nonlinear finite element analysis急冷器是应用在炭黑工业的一种高效换热器,

4、能把炭黑烟气的温度在极短的时间内从1500降到900,终止炭黑进一步反应。它结合了套管式换热器和管壳式换热器的特点,可实现两重换热。集流管是急冷器最重要的部件,由椭圆形管板、筒节和波纹管组成。集流管与急冷器的外壳没有固定连接,它可以沿着急冷器外壳的轴线方向移动,以抵消换热套管的总膨胀量。集流管位于急冷器两端,它直接与汽包的上升/下降管连接。集流管不仅对流体介质有缓冲和重新分配作用,而且有管板的功能。某急冷器热端结构示意图见图1,其总长14.4m,最大直径1.7m,集流管的直径为1.2m,长度为2m,几十根换热套管的内、 外管分别与集流图1 急冷器热端结构示意图管的2个椭圆形管板连接。集流管的椭

5、圆形管板、筒节材质为1Cr18Ni9T i,波纹管材质为0Cr18Ni9,内管材质为0Cr25Ni20。急冷器换热套管的内、外第39卷 第5期 石 油 化 工 设 备 Vo l 39 N o 5 2010年9月 P ET RO CH EM ICAL EQ U IPM EN T Sept.2010收稿日期:2010 03 29作者简介:莫 逊(1983 ,男,广东湛江人,硕士研究生,主要从事高效换热设备和流体机械的研究。管间的环隙设计压力4 0MPa,工作压力1 0M Pa,设计温度为200 ,工作温度为180 ,工作介质为冷却软水。其内管设计压力0.3M Pa,工作压力0.25M Pa,设计温

6、度1500 ,工作温度1100 ,工作介质为炭黑烟气。集流管波纹管是急冷器的重要元件,它的功能是吸收内、外管轴向膨胀差。因为特高温的炭黑烟气使得急冷器换热套管的内、外管间因为温差产生在轴向膨胀差很大,实际运行中,除了管板吸收一部分膨胀差外,主要由波纹管吸收。但在如此大膨胀量、高压力的工况下,集流管筒节上波纹管的结构及强度设计十分重要,因此,应用An sys 软件,通过非线性有限元分析方法对按文献1,2进行设计计算的结果进行了验证。1 波纹管设计按急冷器集流管的相关参数,集流管筒节上波纹管的设计压力为4 0M Pa,设计温度为200 。根据文献1,选择工作压力大的波纹管其单波位移小,而单波位移大

7、的波纹管其工作压力又满足不了设计要求。经综合分析,选择压力1 0MPa 、材质0Cr18N i9、公称直径为1200mm 且单波最大轴向位移为13.1mm 的单层波纹管。其工作压力和设计压力之间的差距通过外部加强环来弥补,见图2。加强环的位置在波纹管的谷底,像一个圆环一样紧紧扣住波纹管,起增加波纹管承压能力的作用。因为它在波纹管的谷底,所以不仅增加了波纹管的承压能力, 而且不影响波纹管的单波位移量。图2 波纹管结构示意图2 波纹管应力计算本波纹管的应力计算严格按照压力容器膨胀节规定的标准波纹管进行3,再通过金属波纹管膨胀节通用技术条件2,进行加强型波纹管的校核计算。现在把工作压力在1 0M P

8、a 的波纹管通过增加加强环后应用在压力4 0MPa 的工艺条件下,对其进行应力校核计算。将本例相关参数代入文献2的相应校核公式计算可得单个U 形波纹的金属横截面积A cu =3130.5mm 2,加强环的金属横截面积A r =6358.5mm 2。波纹管材质0Cr18Ni9在200 的弹性模量E b =2.0!105M Pa,200 时加强环材质20g 的弹性模量E r =1.63!105M Pa 。由A cu 、A r 、E b 及E r 计算可得波纹管承受的内压力与加强元件的内压力之比为0.604。将上述数据和本例相关参数代入文献2的相应校核公式进而求得内压引起的波纹管周向薄膜应力 2=7

9、8.2M Pa,内压引起的波纹管径向薄膜应力 3=20.4MPa,内压引起的波纹管径向弯曲应力 4=137M Pa 。加强圈的主要作用是增强波纹管的横向承载能力,并没有影响它的轴向位移,为了计算在一定的轴向位移量下波纹管产生的应力,仍采用文献2的公式计算可得轴向位移引起的波纹管径向薄膜应力 5=66MPa,径向弯曲应力 6=2084M Pa 。根据文献4,0Cr18Ni9在200 的实测屈服强度 0.2=503M Pa 。材料的许用应力 200=130M Pa 。应力校核计算如下:2=78.2MPa< 200=130M Pa3+ 4=157.4M Pa<1.5 200=195M P

10、a疲劳寿命按以下公式计算:t =( 3+ 4!0.7+( 5+ 6(1N c =35720t -2902 9(2N c =N c /n f(3式(1式(3中, t 为径向总应力范围,MPa;N c 为波纹管平均疲劳寿命,周次;n f 为设计疲劳寿命安全系数,n f 10。式(2适用于平均寿命在103105的奥氏体不锈钢制成的波纹管。将本例相关参数代入式(1式(3中计算可得 t =2260.18MPa,N c =88028周次,N c =7335周次。由以上结果可知,应力校核合格。上述理论计算表明,工作压力1 0M Pa 的标准波纹管在增加了加强环后能承受4 0M Pa 的工作#19# 第5期

11、莫 逊,等:急冷器波纹管设计与非线性有限元分析压力。3 波纹管强度非线性有限元分析有分析认为,波纹管在压力的作用下首先发生弹性变形,接下来是塑性变形,最后再进入稳定阶段。波纹管完成所有的动作需要经过2种不同性质的变形。它属于用A nsys 进行应力分析时比较特殊的一种,因为大多数压力容器的应力分析都是刚性的材料线性分析,只要知道材料工作温度下的弹性模量E t就能精确分析出压力容器的应力分布情况。然而,波纹管不是简单的属于刚性元件或者弹性元件,它是两者兼有的既有刚性又有弹性的元件。它属于材料的非线性,所以需要进行非线性有限元分析才能得出精确的应力分布情况。3.1 模型和网格划分波纹管的非线性有限

12、元分析模型见图3 。图3 波纹管有限元模型其网格采用规则的四面体划分方式,波纹管的厚度方向划分为2个单元格,波纹管的轴向划分为70个单元格,与轴线垂直环面的弧线分为60个单元格。端环的直边划分为10个单元格,厚度划分为9个单元格。端环横截面弧度划分为10个单元格,与轴线垂直环面的弧线分为60个单元格。加强环横截面划分为20个单元格,沿环母线划分为60个单元格。整个模型总共有8万个节点。3.2 定义材料特性在材料的特性中,因为波纹管不仅是具有刚性的元件,而且是具有高弹性的元件,所以弹性模量E 必须定义。把材料的特性定义为双线性等向强化,包括输入弹性斜率和塑性斜率5,6。0Cr18Ni9的屈服强度

13、 0.2=503M Pa,泊松比 =0.3,弹性模量E =2.0!105M Pa,切向斜率为2.0!104M Pa,密度为 =7.8g/cm 3。根据0Cr18Ni9的力学性能拟合得到的应力 应变曲线见图4。3.3 内压载荷作用下的应力分布 在模型波纹管内壁施加压力为4M Pa,同时在图4 拟合的0Cr 18N i9的应力 应变曲线其两端面施加全约束,在1/4模型侧面施加对称约束。经过软件的分析计算,得到整个波纹管以及加强环的应力分布,见图5。图5 波纹管的总应力图从图5可以看出,最大的总应力为167M Pa,与理论计算值157.4MPa 非常接近。这说明非线性有限元分析结果是准确的。但是最大

14、应力不在波纹管的峰顶,而出现在波纹管末端波节的直边段。为了详细了解波纹管的应力分布并对它进行应力评定,对波纹管模型进行路径建立,见图5,在筒节中部、波纹管波峰和末端波节直边段共建立3条路径。经线性化处理得出路径1的最大总应力为139M Pa,薄膜应力为118.7M Pa;路径2的最大总应力为104M Pa,薄膜应力为37.79M Pa;路径3的最大总应力为167M Pa,薄膜应力为87.11MPa 。这个结果表明,波纹管在单一的压力作用下是安全的。为验证波纹管在单一压力作用下的安全性,参考文献79并按文献10对各路径的应力强度进行评定。本例一次局部薄膜应力的判据为1.5S m =195M Pa

15、,总应力的判据为3S m =390M Pa 。结合上述各应力值可知,评定结论为合格。3.4 沿着波纹管壁面应力分布规律为了分析波纹管沿着内壁和外壁的总应力分布情况,根据结构的对称性取半个波节的所有节点应力绘制沿半个波节的内壁、中间和外壁应力#20# 石 油 化 工 设 备 2010年 第39卷强度的分布,见图6。从图6可知,在距外壁面的高度h 小于36mm 时,不论是沿着内壁、中间或者外壁,其应力强度均因有加强圈的支持几乎没有变化,其值在74 0MPa 左右;当距外壁面的高度大于等于36mm 且小于等于53mm 时(波节的圆弧过渡区,由于没有了加强圈的支持,其应力强度逐渐递增,内壁、中间及外壁

16、的最大值分别为116.58MPa 、103.39MPa 和81.86MPa;当距外壁面的高度大于53mm 且小于74mm 时(刚好接近波高的一半,内壁和外壁的应力强度递减,最小值均为80.3MPa;当距外壁面的高度大于74mm 且小于95mm 时,内壁和外壁应力强度逐渐递增,最大值分别为126.61MPa 和135.51MPa;当距外壁面的高度大于等于95mm 且小于等于131mm 时(波峰圆弧过渡区,内壁和外壁应力强度又逐渐递减,最小值分均为58.7MPa;当距外壁面的高度大于131mm 时,内壁和外壁应力强度又逐渐递增,最大值分别为108 0MPa 和75 0MPa 。而波节壁厚的中间应力

17、强度在距外壁面的高度大于53mm 开始就一直递减,在到达波峰时应力强度大小为39.4MPa 。图6 沿半个波节的应力强度分布图从图6的应力强度曲线不难看出,波纹管沿着内壁面和外壁面的应力强度大小相差不大,但随高度的不断增加波动很大。此外,沿着壁厚中间的应力强度却呈递减趋势。4 结论(1对1 0MPa 工况下的标准波纹管应用加强环后能承受4 0M Pa 压力。(2波纹管应力的理论计算与非线性有限元计算的结果相差很小。(3根据综合评定,用非线性有限元分析的结果合格。(4沿着内壁面和外壁面的应力强度波动很大,而沿着壁厚中间的应力强度却呈递减趋势。(5波纹管应力理论计算的最大值为157.4M Pa,而在单一压力载荷作用下非线性有限元计算的最大应力值为167.2M Pa,两者相差很小,这说明传统的理论计算结果相对保守,是为了保证波纹管的绝对安全。而ANSYS 软件的分析结果是精确的,并且能反映出波纹管具体应力的分布规律。参考文献:1 GB 167491997,压力容器波形膨胀节S.2 GB/T 127771999,金属波纹管膨胀节通用技术条件S.3 倪 群,杨福雅.高温高压固定管板式换热器膨胀节更换技术J.聚酯工业,2008,21(5:50 52.4 陈 晔,李永生.U 形无加强波纹管平面失稳有限元分析J.石油化工设备,2001,30(增刊:35 37.5 沈玉堂.波纹管非线