制硫余热锅炉开孔有限元应力分析

制硫余热锅炉开孔有限元应力分析

夏宁

（山东三维化学集团股份有限公司，山东 青岛  266071）

摘要：使用有限元分析软件对不满足GB150-2011《压力容器》规范设计条件的容器进行分析设计。本文通过有限元应力分析获得此换热器大开孔部位的应力分布，在危险截面选择最大应力路径进行线性化处理，按照JB4732－1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行分析校核。

关键词：大开孔，分析设计，应力评定

Finite Element Analysis of the Sulfur waste heat boiler large opening

Xia Ning

Shandong Sunway chemical Group Co.,Ltd (Qingdao 266071,Shandong,China)

Abstract: When does not meet the GB150-2011 "pressure vessel" standard design conditions,We analysis vessel using the finite element analysis software. In this paper, We obtain stress distribution for the large opening part of the heat exchanger by finite element stress analysis, the maximum stress path in the dangerous section choose linearization, according to JB4732-1995 "steel pressure vessel -- analysis design standard" is analyzed respectively.

Key words: large opening, Design by Analysis, stress evaluation

压力容器是工业领域中广泛使用的承压设备。目前压力容器的设计可分为规则设计（Design by Rule）和分析设计（Design by Analysis）。随着工艺条件的苛刻和容器的大型化，常规设计标准已不能满足要求，尤其在应力集中区域，而分析设计标准JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》是基于“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，其理论基础是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法，是根据具体工况，对容器各部位进行详细的应力计算和分析。

1、结构与参数

该制硫余热锅炉后端管箱上的过程气出口，其公称直径为400mm，管箱筒体直径为1400mm。后端管箱及开口接管的材料属性，参见表1，在设计温度下的许用应力强度为100MPa；后端管箱长900mm，壁厚为14mm，开口接管壁厚为12mm，伸出长度距法兰密封面850mm，开口位置偏移筒体中心线350mm。

表1主要材料特性

2、建立有限元模型

2.1有限元模型的建立

选取SOLID185八节点实体单元进行网格划分。

2.2边界条件

管箱筒体及其开口接管有限元模型的载荷边界条件如下：

①封头、筒体内表面、接管外伸端内表面施加0.25MPa内压；

②接管外伸端端面施加内压产生的等效轴向力。

③在接管外伸端端面施加如下载荷

管箱筒体及其开口接管有限元模型的位移边界条件为：在管箱筒体下端施加轴向和环向约束。

3、结果分析及应力评定

计算后整体应力强度云图见图1，最大应力强度为202MPa，发生在几何不连续的接管与筒体连接处。

图1开孔部位整体应力强度云图             

  为评定此处的应力情况，过最大应力点沿壁厚方向定义路径Path1，在此位置处应该评定一次局部薄膜应力以及一次加二次应力强度。

表1为路径Path1下的一次局部薄膜应力和一次加二次应力的评定表。

表1  Path1上的应力强度评定

4、结论

(1)应用有限元软件对该余热锅炉大开孔部位进行应力分析，根据JB4732对应力分析结果进行评定，结果表明，该换热器大开孔满足校核条件，故此换热器是安全可靠的。

(2)利用软件的应力分析功能进行结构应力分析是可行的，其方法简单，避免了大量试验，节约了资源，是有限元理论和应力分析理论的有机结合，为常规设计解决不了的问题提供了新的方法。

(3)换热器大开孔部位发生了明显的应力集中，应力梯度大，远离开孔区域，应力分布比较均匀。

参考文献：

【1】程新宇. 基于ANSYS Workbench的压力容器接管应力分布[J]. 石油与化工设备，2011,14（2）：5-8.

【2】韩敏. 利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J]. 煤矿机械，2008,29（1）：73-74.

【3】王勇，甄勇等. 基于ANSYS Workbench的压力容器开孔接管区的应力分析[J]. 广东化工，2012,10（1）：180-181.