150 m2蒸发器蒸发室封头法兰应力分析

武 军

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

150 m2蒸发器蒸发室封头法兰应力分析

武 军

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

150 m2蒸发器是一种高效换热设备，蒸发室是此设备重要部件。本文运用ANSYS软件对其进行应力分析，确定筒体壁厚、法兰形式、封头厚度选取的可行性和合理性。ANSYS命令流完全实现参数化，可广泛地运用于压力容器封头法兰的应力分析。

法兰连接结构； 有限元； 应力分析； 参数化设计

0 概述

150 m2蒸发器蒸发室的工作压力为0.5 MPa,设计压力为0.625 MPa。因此, 本蒸发室是一台承受内压作用的压力容器。

根据GB150—2011《钢制压力容器》的要求进行设计，然后按照有限元法对蒸发室整体应力分析，并根据JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》进行局部强度校核。

1 有限元模型建立

1.1 有限元模型

按照JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》的规定，通常核算不考虑腐蚀余量因素，本文以2 mm的腐蚀余量为基础，封头和筒体选用厚度12 mm，故接下来的操作中相对应厚度均需要减薄2 mm至10 mm。

(1)封头尺寸要求：直径为2000 mm，壁厚10 mm。

(2)筒部尺寸要求：内部直径2000 mm，壁厚度10 mm，总长度5250 mm，本文考虑了封头和法兰局部的情况，所以筒体长度只考虑150 mm。

(3)法兰尺寸要求：上下法兰为长颈对焊法兰，内径为2000 mm，外径为2160 mm，厚度为76 mm，有限元模型见图1。

图1 法兰有限元模型

在本文分析中，因结构绕轴向(Y轴方向)具周期对称性特征，而其约束、载荷也具完全对称的特性，故只取其中1/60的结构(即1个螺栓孔结构大小)进行实体建模、网格划分和应力分析。模型用三维立体单元(单元号Solid45)对封头、筒体和法兰三部分结构网格划分,如图2所示。

图2 1/60结构整体有限元模型

1.2 载荷、约束

载荷要求：

设备设计内部压为0.625 MPa，相对应设计温度则为169 ℃。

约束要求：

在筒体、封头和法兰三部分内面加载内压0.625 MPa；分别在所取部分的两个对称面上施加对称约束；同时在筒体下部加Y方向的约束；按照JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》要求，在计算垫片预紧力时，需在法兰的密封面上施加等效压力1.44 MPa并在螺栓孔内面施加完全约束。

1.3 所用软件

ANSYS软件，一款在国际上运用广泛的有限元软件。

2 有限元分析与强度校核(内压作用下)

整个结构在内压作用下的变形如图3所示，应力强度分布如图4所示；法兰在内压作用下的变形如图5所示，应力强度分布如图6所示。

图3 模型在内压作用下的总体位移分布云图

图4 模型在内压作用下的应力强度分布云图

图5 法兰在内压作用下的总体位移分布云图

图6 法兰在内压作用下的应力强度分布云图

2.1 强度校核的依据

JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》已作要求：应力强度大小为最大剪应力的二倍，强度校核理论为最大剪应力理论，公式如下：

S=max {|S12|,|S23|,|S31|}

(1)

式中S12=σ1-σ2，S23=σ2-σ3，S31=σ3-σ1;

应力强度大小：S;

主应力大小：σ1、σ2、σ3。

设计应力强度值kSm应大于一次总体薄膜应力强度SⅠ，公式如下：

SⅠ≤kSm

一次局部薄膜应力强度值SⅡ小于等于许用值为1.5kSm，公式如下：

SⅡ≤1.5kSm

一次局部薄膜应力与一次弯曲应力的应力强度之和SⅢ的许用值大小为1.5kSm，公式如下：

SⅢ≤1.5kSm

一次局部薄膜应力与一次弯曲应力再加上二次应力的应力强度之和SⅣ的许用值大小为3kSm，公式如下：

SⅣ≤3kSm

一次局部应力与二次应力以再加峰值应力的应力强度之和SⅤ的许用值大小为Sa，公式如下：

SⅤ≤Sa

依照JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》表1说明要求，k为载荷组合系数；Sa定义为材料在一定量循环次数下疲劳许用应力的强度值大小；Sm定义为材料在对应设计温度下设计应力强度值。

因计算SⅠ～SⅤ需要，应依据载荷形式、构件结构以及有限元计算的结果，选择相对关键应力点并且沿其厚度方向作出应力校核线，并对应力强度进行线性化处理，最终根据以上所述各项规定对设备进行强度校核。

2.2 材料的设计应力强度

16MnR为本蒸发室所用主要材料，依据JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》中规定， Q345R在200°以下设计应力强度大小为183 MPa。

2.3 强度校核

本文分析中，k=1为载荷组合系数。依据本设备结构、对应载荷形式和有限元计算的结果，应力校核线沿厚度方向选取(见图7、8、9、10)，线性化处理其中应力强度。再根据以上规定对设备强度校核(见表1)。

图7 路径1映射示意图

3 结论

(1)由模型在内压作用下的应力分布云图可知，应力最大位置发生在法兰封头和筒体连接处，封头与法兰之间的筒体直段可降低应力集中，改善法兰与封头连接处的受力情况。

图8 路径2映射示意图

图9 路径3映射示意图

图10 路径4映射示意图

(2)由强度校核结果可以看出，依据GB150—2011常规设计所设计的蒸发室各个位置所承受应力强度远小于JB4732—95分析设计所规定许用值，若以JB4732—95作为设计依据，可适当降低壁厚。

(3)当设计超出GB150—2011所涉及范围时，如大开孔等，可采用分析设计方法解决。

表1 应力强度计算及其校核

[1] 邓肖明，赵军．快开式蒸汽压力蒸煮锅国产化设计[J]．中国锅炉压力容器安全，2001.

[2] GB150—2011，钢制压力容器[S].

[3] JB4732—1995，钢制压力容器―分析设计标准[S].

Stress Analysis of Head Cover Flange of 150 m2Evaporator Cell

WU Jun

150 m2evaporator is a high efficient heat exchanger, evaporator cell is the important part of the equipment. This paper analyses the stress by ANSYS software, to determine the feasibility and rationality of cylinder thickness, flange form and head cover thickness. ANSYS commands are fully parameterized, can be widely applied in stress analysis of pressure vessel flange.

flange connected structure； finite element； stress analysis； parameterization

2015-02-01

武军(1982-)，男，江苏南京人，工程师，硕士研究生，主要从事有色冶炼行业湿法冶炼设备设计。

TB657

A

1003-8884(2015)02-0026-04