空分设备主冷凝蒸发器的应力分析.pdf

《空分设备主冷凝蒸发器的应力分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、空分设备主冷凝蒸发器的应力分析俞一帆杨少越王丹(中国空分设备有限公司，浙江杭州，310051)摘要：本文运用大型通用有限元分析软件ANsYs，采用IB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》的设计；隹则，在工作、安装、运输工况下对空分设备的主冷凝蒸发器进行了应力分析和强度评定，为主冷的设计制造提供了准确高效的分析方法和依据，关键词：主冷凝蒸发器；有限元分析；强度评定主冷凝蒸发器(本文以下简称主冷)是液氧和气氮发生热交换的设备，它位于上塔和下塔之间，其作用是使上塔底部回流下来的液氧蒸发，下塔顶部上升的气氮得到冷凝，从而在上、下两个塔内

2、实现双级精馏的过程，是空分装置的关键设备之一。主冷有列管式、盘管式和板翅式3中结构形式。20世纪30年代，板翅式换热器首先在航空工业上被采用，它具有结构紧凑、重量轻、体积小和传热效率高等优点，随后在工业气体分离、石油化工、航空航天、动力运输机械及超导等领域得到广泛应用，被公认是高效新型的换热器之一。由于板翅式换热器的制造技术已经很成熟，所以被大量应用于大、中和小型空分装置中，成为主冷最常用的一种结构形式。板翅式换热器通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻隔两板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠

3、置起来，采用真空钎焊的方法组成一整体即芯体，芯体是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。近年来随着空分装置趋向大型化发展，主冷设备结构的安全性对空分设备的长期有效使用有着重要作用，在设计制造过程中除了要考虑工作情况外，往往还需要考虑设备在安装、运输工况下可能出现结构破坏的情况。本文采用分析设计的方法，运用美国ANsYs公司研制的大型通用有限元计算软件，对主冷设备进行建模计算分析评定。分析设计是工程和力学紧密结合的技术，不仅解决了常规设计所不能解决的问题，而且与常规设计相比，分析设计更具有科学性和安全性。在分析设

4、计中考虑各种载荷条件可能的组合，以弹性力学薄壁理论为基础进行分析计算，将应力根据其起因、来源、作用范围、性质和危害程度进行分类，采用第三强度理论(最大切应力理论)来确定结构尺寸。因为空分设备的主冷结构具有特殊性，宜采用分析设计方法，本文通过对工作、安装、运输三种典型工况进行详细计算，真实直观的反映出主冷设备结构整体和局部的应力情况，并采用JB4732一1995《钢制压力容器——分析设计标准》的设计准则进行强度评定，为空分装置主冷设备的设计制造提供了准确高效的分析方法和依据。1结构尺寸及材料特性以某项目中使用的空分设备为例，该设备主冷由钎焊形成

5、的芯体和封头接管拼焊而成，其中芯体内部上下敞开的通道为液氧蒸发通道，上端装有气体进口封头，下端装有液体集液封头的为氮气冷凝通道。主冷设备总共由6个铝制板翅式换热器芯体拼接而成，每只芯体的外型尺寸为1070x1220x2270mm，整个主冷设备的重量将近20吨，安装在空分精馏装置的上下塔之间。考虑到主冷设备在安装、运输过程中可能会出现挤压碰触的情况，一般设计时在氮气冷凝通道上端的气体进口封头两侧每侧设置两个对称的支撑结构，用来防止封头发生变形。主冷设备氮气冷凝通道的上端封头由半圆柱简和两块端板焊接组成，该设备封头的半圆柱筒长度为3312mm，外

6、径R=300mm，壁厚10mm。封头上的支撑结构是由厚度分别为10mm和12mm的板焊接而成。材料为5083一Hll2铝合金，许用应力Js：=67MPa，屈服极限盯。=110MPa，抗拉强度吒=270MPa。材料的泊松比“=0．33，弹性模性E=7．102×104MPa。2数学模型及计算条件2．1数学模型主冷设备氮气冷凝通道的封头为对称结构，正常工作情况下承受气体内压及对称载荷，根据主冷的结构特点可以建l／4个计算模型。封头内表面承载后，结构的对称平面仍保持平面，因此，在对称平面上加上周向的位移约束。由于封头焊接在芯体上，芯体刚度远大于封头刚

7、度，因此封头与芯体连接焊缝的芯体一侧加上X，Y，z三个方向的位移约束。设备在工作工况计算时，模型内壁加内压载荷；安装工况和运输工况时，在支撑结构端面上加主冷设备运动引起的惯性力。主冷设备氮气通道的封头计算模型采用ANSYS软件提供的3维20节点等参元(SOLID95)，对1／4计算模型进行划分网格后，共有单元74500个，结点数165287个，封头的计算模型如下图3—1所示。分别选取主冷设备的支撑结构顶部截面(A—A)、封头半圆柱筒和端板焊接截面(B—B)、支撑结构筋板外部截面(C—C)、封头半圆柱筒和芯体的焊接截面(D—D)、封头端板和芯体

8、的焊接截面(E—E)作为主冷设备的危险截面进行应力分析，应力分析的危险截面如下图3—2所示。图3—1封头计算模型示意图2．2计算条件主冷设备氮气冷凝通道封头和支撑结