夹套翻边角度对强度性能和疲劳寿命的影响

苏文献, 周 欢, 刘雷敏

(1.上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)

夹套翻边角度对强度性能和疲劳寿命的影响

苏文献1, 周 欢1, 刘雷敏2

(1.上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)

针对换热器中圆筒接管与夹套的连接结构对总体应力场的影响,采用Ansys参数化语言APDL,建立换热器下管箱及其夹套、保温层的结构分析模型.根据该换热器的操作工况,施加温度、压力载荷,对翻边夹套结构的翻边角度进行参数设计分析.对不同角度的夹套翻边结构在各载荷工况下的应力强度和疲劳寿命进行有限元分析,并对应力强度进行校核及疲劳寿命的对比分析.在保证设备静强度及寿命均满足要求的情况下,给出了设备的推荐夹套翻边角度.该研究对圆筒接管与夹套的设计提供了有效的参考,具有一定的工程应用价值.

夹套结构;翻边角度;参数设计;疲劳寿命

管箱接管与夹套有三种连接形式:全封闭结构、套管结构和翻边结构.研究结果表明,翻边结构具有良好的受力特性,且适用于承受交变载荷的设备[1-2].目前,对于管口、凸缘穿过夹套封闭件的翻边角度,标准中定性地给出45°的夹套翻边角度[3],经验性较强且没有进行定量分析.以工程中一台立式换热器的下管箱为研究对象[4-5],对翻边夹套结构的翻边角度进行参数设计分析[6],在复杂载荷作用下进行应力强度及疲劳寿命分析,并比较各夹套翻边角度的受力及疲劳寿命,给出一个推荐的夹套翻边角度供工程设计参考.

1 几何结构和载荷工况

换热器下管箱的主要几何尺寸如表1所示,其中下管箱内筒体和连接法兰均为06Cr19Ni10,夹套部件材料为Q345R,保温层材料为泡沫玻璃.

表1 结构尺寸参数Tab.1 Structure parameter

设备在正常操作、开停车和进行压力试验过程中,容器处于各种不同的载荷工况.设备在正常的操作工况下,压力P和温度T随时间t的变化情况如图1所示.

图1 压力和温度随时间的变化情况Fig.1 Pressure and temperature in an exchanging cycle

由上图可知,载荷既有压力载荷,又有温度载荷,在此出于安全方面的考虑,取正常操作时两种最恶劣的载荷组合工况:

工况A 夹套压力0.4 MPa、夹套温度7.8℃,管程压力-0.1 MPa、管程温度31.4℃;

工况B 夹套压力0.6 MPa、夹套温度170℃,管程压力-0.1 MPa、管程温度170℃.

由于温度是随时间波动的,材料在不同温度下的物理属性也会有差异.不同工况下材料的物理性能参数如表2～4所示.

表2 不同温度下的材料属性Tab.2 Material properties at different temperatures

表3 不同工况下的材料属性Tab.3 Material properties at different cases

表4 不同工况下的换热系数Tab.4 Heat Transfer coefficient at different cases

2 结构强度分析

结构不具备对称性,则载荷边界条件也不对称,故对模型进行整体建模[7-9].建模采用下管箱各部件的有效厚度,主要包括内筒体、夹套组件、接管和保温层.下管箱的实体模型如图2所示,α为夹套翻边角度.有限元模型如图3所示.

图2 实体模型图(α=45°)Fig.2 Solid model(α=45°)

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.1 工况A

筒体内部流体和夹套内部的导热油具有一定的温度和压力,根据下管箱中不同组件材料,给定各部件对应温度下的材料属性.内筒体所有内表面温度设置为31.4℃,夹套内导热油流过的所有内表面温度设置为7.8℃,保温层与空气接触的外表面参考温度设置为0℃(操作过程中室温范围为0～40℃,偏安全考虑取极限值0℃).经Ansys计算得出整个温度场的分布,去除外部保温层单元,并将其它单元转换成结构单元.在夹套所有内表面施加0.4 MPa的压力,内筒体所有内表面施加-0.1 MPa的压力,夹套接管、内筒体接管、底部泄放口各端面上的等效端面载荷分别为-0.88,0.736,0.078 MPa.位移边界条件为在柱坐标系下,约束法兰端面上全部节点的轴向位移和环向位移,允许下管箱法兰面沿径向自由伸缩,位移边界条件如图4所示.热-结构应力的求解采用通用的共轭梯度法求解器,高精度求解后得到下管箱在温度和压力载荷联合作用下的应力场,如图5所示(见下页).

图4 位移边界条件Fig.4 Displacement boundary conditions

由计算结果可知,高应力区出现在接管焊接区域以及夹套折边处靠近法兰一端,最大应力点出现在夹套与筒体焊接的根部,与实际情况相符.为了定量分析该工况下不同结构的应力强度变化情况,对8种结构沿如图6所示(见下页)的4条路径进行线性化评定,提取一次局部薄膜应力以及一次加二次的总应力[10],结果如图7所示(见下页).

2.2 工况B

在夹套所有内表面施加0.6 MPa压力,内筒体所有内表面施加-0.1 MPa压力,夹套接管、内筒体接管、底部泄放口各端面上的等效端面载荷分别为-1.314,0.736,0.08 MPa.位移边界条件同上节,求解下管箱的在温度和压力载荷联合作用下的应力场.

对8种结构沿如图8所示(见下页)的4条路径线性化评定,结果如图9所示(见下页).

2.3 应力强度线性化结果讨论

以上两种工况均是操作过程中同时考虑温度和压力的组合载荷工况,即计算在热-结构应力耦合的操作状态,各应力强度均满足强度要求.通过对计算结果进行分析,可得出如下结论:

a.两种最危险的热-结构耦合载荷工况相比较,工况A更危险,在温度和压力载荷联合作用下具有考察意义.

b.工况B时,应力危险路径是路径1和路径2,即夹套折边的根部区域,特别是一次局部薄膜应力在路径1上处于高应力水平.根据两种工况下最大应力路径1和路径2的结果对比,可知耦合作用下理想的α为30°～40°.

图5 夹套不同翻边角度下的应力强度分布Fig.5 Stress intensity distribution at different flanging angles of jacket

图6 工况A线性路径评定位置示意图Fig.6 Defined paths for linearized stress of case A

图7 工况A各路径线性化结果评定Fig.7 Eraluation results of linearized stress of case A

图8 工况B线性路径评定位置示意图Fig.8 Defined paths for linearized stress of case B

图9 工况B各路径线性化结果评定Fig.9 Evaluation results of linearized stress of case B

3 疲劳分析

疲劳破坏是指在交变或波动载荷作用下材料或结构的破坏现象[11].在此波动载荷取一个周期内波动幅度最大的两个时刻进行疲劳分析,在此取周期内184 min和240 min两个时刻考虑,夹套和管程的压力和温度波动在这两个时刻之间波动幅度均最大.夹套的压力波动为0～0.62 MPa,温度波动为31.4～170℃;管程的操作压力恒定为-0.1 MPa,温度波动为7.8～170℃.将两个时刻的载荷工况分别作为疲劳载荷分析的工况C和工况D,具体的疲劳载荷工况如表5所示.

表5 疲劳载荷工况Tab.5 Fatigue loading conditions

两种工况各自加载完成之后,在Ansys中写入相应的载荷步,在此设置两个载荷步,然后用载荷步求解的方式统一求解,将两种工况计算的整个应力场相减得两种工况之间每个节点的应力强度幅值Sa分布,如图10所示.

图10 夹套不同翻边角度的应力幅值分布Fig.10 Stress amplitude distribution at different flanging angles of jacket

为了更直接地比较各结构的疲劳性能,根据ASME VIII-2[12]中的设计疲劳曲线计算方法,可基于Sa计算出疲劳循环次数N.计算公式为

其中,EFC为确定设计疲劳曲线的弹性模量;ET为平均温度下被评定的循环的材料弹性模量;Cus为转化系数.

由于夹套材料为Q345R,则疲劳曲线公式常数Ci取ASMEVIII-2中表3.F.1的碳钢疲劳公式常数,如表6所示.

表6 碳钢的曲线公式常数Tab.6 Constant of carbon steel

将提取的Sa代入式(1)和式(2),计算得N,如表7所示.

表7 疲劳循环次数Tab.7 Fatigue cycle times

夹套翻边角度为60°时应力强度变化幅值是最大的,在此取最大的应力强度变化幅值进行疲劳校核[13].该设备的疲劳设计循环次数为40 000次,则此时设备的累积使用系数U为

U=40 000/118 587=0.337＜1

夹套翻边角度为60°时结构的疲劳循环次数最少,此结构满足疲劳寿命的要求,则表明所研究的翻边角度都满足疲劳寿命的要求.

4 结 论

对比分析以上强度和疲劳循环次数计算结果,得出以下结论:

a.应力强度变化幅值随着夹套翻边角度的增加而增大.当夹套角度大于45°时,随着夹套翻边角度的增加,应力强度变化幅值增加很小,应力增大值在5 MPa以内;当夹套角度小于30°时,随着夹套翻边角度的继续减小,应力强度变化幅值减小不大,应力值减小在4 MPa以内.

b.设备的疲劳循环次数随着夹套翻边角度的增加而减少,即夹套翻边角度越小抗疲劳性能越好.当夹套角度大于45°时,随着夹套翻边角度的增加,疲劳循环次数减少有限,大概在13 727次,占总循环次数的比重为10%左右.当夹套角度小于30°时,随着夹套翻边角度的继续减小,疲劳循环次数增加也很有限,大概占总循环次数的比重为8%左右.

c.由以上分析可知,该设备夹套翻边角度越小越好,但是考虑到夹套翻边角度越小需要翻边的区域就越大,从成型工艺上使用胎模具的制造难度和成本都会显著增加,这样会使加工成本大大提高.因此从经济角度出发,在满足疲劳要求的现况下,该设备的推荐翻边角度范围为25°～30°.

[1] 秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书换热器[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2] 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].3版.北京:化学工业出版社,2010.

[3] 中国国家标准化管理委员会.GB 150.1～150.4-2011,压力容器[S].北京:中国标准出版社,2012.

[4] 马媛情.复杂载荷作用下带夹套排气冷却器关键技术研究[D].上海:上海理工大学,2012.

[5] 苏文献,马嫄情,刘海刚.复杂载荷作用下带夹套管箱的静强度和疲劳强度分析[J].上海理工大学学报, 2012,34(4):404-408.

[6] 吴立军.管壳式换热器的优化设计[D].天津:天津大学化学工程,2008.

[7] 国家质量技术监督局.GB 151-1999,管壳式换热器[S].北京:中国标准出版社,1999.

[8] 李爱国.局部夹套结构的受力分析及计算方法探讨[J].石油化工设备技术,2006,27(6):24-27.

[9] 苏文献,马振明,叶立,等.高压高温染色机机头箱的有限元强度分析[J].上海理工大学学报,2006,3 (28):270-272.

[10] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.JB4732-1995 (2005确认),钢制压力容器——分析设计标准[S].北京:新华出版社,2007.

[11] 王国军.MSC.Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

[12] ASME boiler and pressure vessel code[S].New York: The American Society of Mechanical Engineers,2013.

[13] 刘桐.高温气冷堆蒸汽发生器管板的热应力与疲劳分析[D].北京:清华大学,2009.

(编辑:董 伟)

Effect of the Flanging Angle of Jacket on Stress and Fatigue Life

SUWenxian1, ZHOUHuan1, LIULeimin2
(1.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

The joint of the cylinder nozzle and jacket is one of the key components of the heat exchanger,which has much effect on the stress of the equipment.APDL language was applied to establish the structural analysis model of the bottom channel with jacket and insulation.According to the operation conditions,the temperature and pressure were loaded to obtain the stress intensity and fatigue life at different angles of jacketed flanging structure.The recommended flanging angle of jacket was given after checking and comparing the stress intensity and the fatigue life of the equipment.The result provides an effect reference to the design of the joint structure and has a certain engineering application signifigance.

jacket;flanging angle;parameter design;fatigue life

TQ 052

A

1007-6735(2015)01-0071-08

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.013

2013-10-31

苏文献(1967-),男,副教授.研究方向:过程设备设计.E-mail:digestsu@163.com