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    a甲醇装置高压废热锅炉管板结构有限元分析.pdf

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    a甲醇装置高压废热锅炉管板结构有限元分析.pdf

    第43卷第3期 2014年5月 石油化工设备 PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.3 Mav 2014 文章编号10007466201403003404 80万t/a甲醇装置高压废热锅炉管板 结构有限元分析 李广场,董树人,陶革新,陶 贤,秦玉娜 江苏焱鑫科技股份有限公司,江苏江阴 214426 摘要8O万t/a甲醇装置高压废热锅炉的设计参数超出了国家标准规范,管板连接结构无法按常 规设计方法进行计算。通过CFD模拟出管板的温度分布后,采用ANSYS有限元分析程序对管板 及其连接结构进行应力分析。根据有限元分析结果,按JB 47321995钢制压力容器分析设 计标准的规定进行强度评定,可为详细设计提供依据。 关键词高压废热锅炉;管板;CFD;有限元;强度评定 中图分类号TQO51.3;TE963 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.03.009 Finite Element Analysis for Tube Sheet Used in High Pressure Waste Heat Boiler of 800 kt/a Methanol Plant LI Guang-chang,DoNG Shu-ren,TAO Ge-xin,TAO Xian,QIN Yu-na Jiangsu Yanxin ScienceTechnology Incorporated Corporation,Jiangyin 214426,China AbstractThe design parameters of high pressure waste heat boiler of 800 kt/a methanol plant are out of standard range.Tube sheet connecting structure can’t be calculated according to con ventional design .Through CFD simulation of the tube sheet temperature distribution, ANSYS finite element program was carried out on the tube sheet and connection structure stress analysis.Based on the provisions stipulated in JB 47321995 Steel Pressure V s 8ZsDPs g by Analysis,the results of the analysis were assessed,and the conclusion can be used as the ref erence in detail design. Key wordshigh pressure waste heat boiler;tube sheet;CFD;finite element ;strength a ssessment 8O万t/a甲醇装置高压废热锅炉的主要作用是 将来自转化炉的870。C、2.07 MPag转化气冷却至 400℃以下,同时副产l1.04 MPag的饱和蒸汽。高 压废热锅炉壳程设计温度327℃、设计压力 12.5 MPa,管程设计温度400℃、设计压力 2.14 MPa。由于设计压力超过了GB/T 16508--1996 锅壳锅炉受压元件强度计算l_1 中额定蒸汽压力不 大于2.5 Mea和SH/T 3158--2009{石油化工管壳式 余热锅炉 中设计压力不大于6.4 MPa的规定,无 法按管板传统计算方法进行计算。管板强度的传统 计算方法是将管板简化为当量圆板,简化了简体对管 板周边的约束,无法确定管板受力变形的位移边界, 同时由于忽略管孔的真实分布形式,而难以准确给出 管板局部位置详细的应力应变分布 。]。为了建立较 为合理的管板结构及约束边界模型,使计算结果更为 准确,经有关部门专家评审,确定采用有限元分析设 计方法,以满足结构设计需要。通过有限元分析法可 以实现用三维实体模型来真实模拟管板、前端管箱及 收稿日期2013-1225 作者简介李广场1983一,男,江苏赣榆人,工程师,学士,现从事加热炉的设计与管理工作。 第3期 李广场,等8O万t/a甲醇装置高压废热锅炉管板结构有限元分析 37 用极限为KS 、一次局部薄膜应力强度SⅡ的许用 极限为1.5KS ,一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ 的许用极限为1.5KS ,一次加二次应力强度SⅣ的 许用极限为3S 。由于换热管与管板连接处、管板 过渡圆弧处、壳程筒体与前端管箱连接处几何不连 续,因此沿相交处所取截面的线性化处理所得的薄 膜应力强度为一次局部薄膜应力强度,薄膜加弯曲 应力强度属于一次薄膜Jm----次应力强度。 换热管与管板连接处截面一次局部薄膜应力强 度SⅡ131.6 MPa1.5S 一214.5 MPa,一次加 二次应力强度SⅣ一364.3 MPa3S 一429 MPa; 管板圆弧截面一次局部薄膜应力强度SⅡ 86.38 MPa1.5S 240 MPa,一次加二次应力强 度SⅣ一287.6 MPa3S 一480 MPa。对挠性管板 与前端管箱、壳程筒体连接处此处温度为400℃, S 一120 MPa,工况①下一次局部薄膜应力强度 SⅡ一98.73 MPa1.5S 一180 MPa,一次加二次应 力强度SⅣ一199.4 MPa3S 一360 MPa;工况② 下SⅣ一356.01 MPa3S 一360 MPa。 5 结语 对80万t/a甲醇装置高压废热锅炉管板结构 进行的有限元分析计算结果表明,在两种计算工 况下,最大应力点分别出现在管板与最外圈换热 管连接处和前端管箱壳体、管板与壳程简体连接 处,由于换热管对挠性管板具有一定的加强作用, 所以管板布管区的应力水平并不高。经过对管板 与前端管箱壳体、壳程筒体连接结构的有限元分 析,在给定的设计工况及结构参数条件下,其强度 满足设计要求。因此,采用有限元方法对结构复 杂、操作工况苛刻的化工设备进行应力分析设计, 是适应未来大型化、高参数化化工设备设计的有 效手段l_g ,该技术的应用可节省大量的投资成 本,带来巨大经济效益。 参考文献 Ell GB/T 16508--1996,锅壳锅炉受压元件强度计算[s]. GB/T 165O81996,Strength Calculation of Pressure Parts for Shell Boilers[S]. [2]SH/T 31582009,石油化工管壳式余热锅炉Is]. SH/T 31582OO9,Tubular Waste Heat Boiler in Petrochemical Industry[S]. [3]王维慧,胡光忠,曾涛.基于COMOSWORKS软件的固 定管板式换热器应力分析方法[J].压力容器,2006,23 62124. WANG Weihui,HU Guangzhong,ZENG Tao.A New Approach to Stress Analysis of Fixed Tubesheet Heat Exchanger base on COMSWORKS[J].Pressure Vessel Technology,2006,2362124. [4]刘海亮,于洪杰,徐鸿,等.采用实体模型的厚管板的有 限元分析[J].石油化工设备技术,2005,2631-5. LIU Hailiang,YU Hong-jie,XU Hong。et a1.Finite Element Analysis of Thick Tube Sheet by Using Entity Model[J].Petrochemical Equipment Technology, 2005,2631-5. [5]张红才.第一废热锅炉管板强度的有限元分析[J].压 力容器,2004,21922-24. ZHANG Hongcai.FEM Analysis on Tubesheet Strength of the Primary Waste Heat Boiler[J].Pres sure Vessel Technology,2004,2192224. [6]何云松,刘雪东,巢建伟.废热锅炉管板结构两种有限 元模型分析比较[J].石油化工设备技术,2004,253 3436. HE Yun-song,LIU Xue-dong,CHAO Jian-wei.Corn parison of Two Kinds of Finite Element Analysis Mod e1 of Waste Heat Boiler Tubesheet[J].Petrochemical Equipment Techhology,2004,2533436. [7]马永其,陈罕,李斯特.面向对象的固定管板换热器有 限元应力分析系统[J].计算机与应用化学,2001,18 14751. MA Yongqi,CHEN Han,LI Site.Objectoriented Approach to Finite Element Analysis for Fixed Tubesheet Heat Exchanger[J].Computers and Applied Chemisty,2001,1814751. [8]JB 47321995,钢制压力容器分析设计标准Is]. JB 47321995,Steel Pressure Vesse1sDesign by Analysis[S]. E9] 陈章勇.废热锅炉管板水槽结构有限元分析及强度评 定[J].石油化工设备,2007,3666366. CHEN Zhang-yong.Finite Element Analysis and Strength Assessment for Tubesheet with Gullet Used in Waste Heat BoilerI-J].Petrochemical Equipment, 2007,3666366. [1O]吴龙平,傅伟庆,明斐卿.大型储罐用网壳顶特点及技 术发展趋势[J].石油化工设备,2013,42增刊142 44. WU Long-ping,FU Weiqing,MING Feiqing.Char acteristics and Technology Development Tendency of Geodesic Dome Roof for Large Oil Storage Tank[J]. Petro-chemical Equipment,2013,42S142-44. 张编

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