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常见问题

换热器异形法兰

更新时间  2021-07-19 21:45 阅读
壳体法兰是绝大多数管壳式换热器的主要受 压部件之一,考虑到壳体法兰结构和受力情况的多 样性,其应力分布通常是十分复杂的,特别是结构 不规则的异形壳体法兰,很难用现有的规范进行设 计[1] 。 ASME 标准[2] 可对法兰各个部位的应力分布 作详细分析,再根据应力分类法对应力按危险程度 和应力分布范围等因素进行分类,然后按不同的安 全系数分别进行强度评定[1] 。 考虑到异形法兰的 结构和受力情况较为复杂, 难以获得精确的解析 解,有限单元法是计算复杂结构应力分布大小的有 效途径[3,4] 。 ANSYS 软件是最为流行和广泛使用的 有限元软件之一, 其有效性和实用性获得了国家容 标委的认可,在分析法设计和评定中获得了广大设 计者的青睐。 笔者利用 ANSYS 有限元分析了壳体 法兰在温度载荷与压力载荷综合作用下的温度场 和应力场,并按 ASMEⅧ -2 中应力分类及强度评 定的方法进行了安全评定,为异形法兰的设计和安 全使用提供了技术参考。

形法兰的危险受力部

法兰的材料为 SA-516M 485,其材料具体参数见 表1。 根据工艺条件,壳程介质为空气,其设计压力 和设计温度分别为 2.0 MPa 和 160 ℃;管程介质为 水,其设计压力和设计温度分别为1.0 MPa 和60 ℃。

为精确分析该异形法兰 在操作条件下的温度场和应 力场,本文分析过程中充分 考虑壳体对异形法兰的加强 作用。 考虑到该法兰结构的 几何和载荷具有对称性,分 析时采用 1/2 模型。 由于该 异形法兰结构不规则,有限 元建模时采用三维实体单元 SOLID95,而热分析单元采用 SOLID90,共 9 548 个实 体单元。 

除温度场外,换热器异形法兰在工作时还受到 管程压力和壳程压力的影响。 根据工作条件,应力 分析时仅考虑稳态工况,即壳程设计压力、管程设 计压力、稳态温度载荷,不考虑重力载荷、地震和风 载荷等产生的应力。 稳态工况下法兰的应力强度等值云图见图 5。 结果表明,法兰的最大应力强度值为 191.7 MPa,且 最大值的位置分布在壳体与法兰连接的局部区域, 在应力评定过程中需重点校核这些部位。

应用 ANSYS 软件分析了温度载荷与压力载荷 综合作用下受力状态,并依据 ASME 规范进行了强 度评定。 结果表明,本换热器异形法兰的强度满足 安全要求。 本文的分析为类似非标法兰的设计和 强度评定提供了一定的理论依据。

以某型号换热器的异形法兰为研究对象,应用有限元软件 ANSYS 分析了稳态条件下异形法兰的温度场, 并计算了该异形法兰在温度载荷与压力载荷作用下的应力分布。 根据 ASME 规范对异形法兰的危险受力部位进 行了强度评定, 结果表明,换热器异形法兰的强度满足安全要求。