管壳式热交换器中-三元素法兰接头-有限元分析.pdf

管売式热交换器中“三元素法兰接头”
有限元分析
赵周林,吕春晓,邓记松,李超
(海洋石油工股份有限公司,天汁300452)
[摘要]管壳式热交换器中特有的“三元素法兰接头”的分析设计计算是该系统设计的关键内容。该系统中由于存在多种
非线性因素,在分析计算模型中必须对其充分考虑以符合实际情况。本文列举了常规计算方法的不足之处,然后接照有限
元计算理论,运用 ANSYST计算软件,介绍了如何对该接头系统进行有限元分析,并通过实倒计算出一套接头系统的应力分布
情况,并对其计算结果进行了相关的分析採讨,以期为今后开展相关接头系统的设计提供指导
关鍵词]管売式热交換器:三元素法兰接头;有限元分析;应用
螺栓法兰连接是一种可拆连接,广泛应用于行更深入的了解,从而把设计建立在更科学和更
压力容器和管道中。随着技术的发展,螺栓法兰.精确分析的基础上
连接遇到了压力容器大型化、高温或超低温、高
管売式热交换器中特有的螺栓法兰连接结
或高真空、毒介质或辐射性介质等苛刻条件构,即管箱一管板一売体之间的法兰连接结构可
的挑战。随着全社会对安全和环境问题关注度的称为“三元素法兰接头”,也就是两个法兰盘之
不断提高,对法兰接头在强度和紧密性方面的
间夹有一块管板且管板两側各有一个密封垫片
靠性要求也在不断提升。为了保证螺栓法兰连接典型的三元素法兰接头如图1所示
的安全可靠及经济合理性,需要对其工作机理进
(a)管程法兰与売程法兰夹管板(b)管程法兰与売程活套法兰夹管板
c)管程活套法兰与壳程法兰夹管板
1営売式热交換器中典型的“三元素法兰接头”
1常规计算方法存在的问题
因素:而 Waters法并没有考虑密封垫片的非线性性
对螺栓法兰连接的研究开始的很早,但目前质,同时还假定了垫片的反力作用于固定位置,
常规设计规范如GB1502中引用的计算方法主要还且为一定值,这与实际情况不符。
是 Waters EO等人在上世纪30年代提出的以弹性分
(2)必须考虑接头各元件间的相互作用,把接
析为基础的 waters?法,多年的应用结果表明,按头当成一个系统来进行分析,而不能把接头的强
Waters法设计的法兰是可靠的,但该方法也确实存
在着以下主要问题
作者简介:赵周林(1976-),男,映西扶风人,西安石油人学
机械设计及其山动化妄中毕中,本科,⊥程师。す要从事爪力容器
(1)法兰接头中存在材料和结构等多种非线性
万方数
石油和化工设备
10-口论文广场
2016年第19卷
度和紧密性割裂开米进行分析;而 Waters?法没有把
法兰接头的整体性与法兰接头的紧密性两者联系
起米同时分析,而是在假定密封的条件下孤立地
研究强度
(3)法兰受力变形后螺栓不但受拉,而且受弯
出;而 Waters法未考虑螺栓弯出对结构强度以及对
结构紧密性的影啊
(4) Walers法没有很好地考虑与法兰盘相连接
的壳体或管道对法兰盘变形以及对密封垫片不均
匀压缩的影响。
因此,只有把法兰接头看成一个整体,分析
其中各元件之间的相互作用,并考虑垫片的非线
性性质,建立新的数学模型,研究整个接头在载
荷作用下的变形情況,才有可能同时研究其强度
与紧密性,从而获得对法兰接头工作机理的深入
认识,通过全面分析几何尺寸、材料性质、螺栓
预紧载荷和加载方式等各种因素对法兰性能的影
图2會壳式热交换器夹持管板“三元素法兰接头”
的周期性结构
响,为更合理的法兰设计奠定基础
ANSYS以其强大的非线性分析功能使得法
可以消除筒体边缘处轴向应力分布对法兰处应力
整体分析成为可能。本文通过建立管売式热交分布的影响。
换器三维有限元模型,对管壳式热交换器中典型
的“三元素法兰接头”中的应力分布进行分析计
2.,2单元类型的选取
算,为法兰的设计合理性提供设计依据。
ANSYS通用有限元分析软件为各种不同结构
提供了不同的适用单元类型。在建模时,共选用
2管壳式热交換器“三元素法兰接头”的有限元分了如下四种单元
析计算法
(1)螺栓螺、封头、上下法兰、等效管板及
对于高颈法兰来说,由于包括高颈在内的筒体均选用 SOLTDI83单元,各元件的材料均假设
法兰盘几何形状相对复杂,其变形很难找出一个为线弹性材料,但模拟各元件的单元具有不同的
恰当的数学公式或数学模型来描述,因而很难采材料特性
用数学解析法进行分析计算。但采用有限元数值
2)密封垫片采用垫片单元 INTER194来进行模
分析法,则只需要根据结构的实际几何形状与人拟,该垫片单元能够模拟垫片材料的非线性特性
寸(包括所研究结构各部件之间的接触关系)、
材料性质(包括密封垫片压缩与回弹的非线性性
和应力一应变时滞现象。
质)、受载条件和边界条件等建立法兰接头的有
(3)垫片与上下法兰及管板之间的接触以及
限元模型,就可避开采用解析法时的建模难点,
螺母和上下法兰之间的接触采用面面接触单元
得出非线性法兰接头的有限元分析数值解。
TARGR170、 CONTA174描述。
2.1分析说明
4)螺栓预紧情况的模拟釆用螺栓预紧单元
如图2所示,分别展示了封头、上ド法兰、等
PRETS179,该单元只有一个白由度UX,由该白
由度定义预紧力的方向。
效管板及筒体的周期性结构?。由于该法兰接头是
周期性对称结构,利用其对称性,可从整个法兰23单元网格的划分原则
结构中取出两个对称面截出的部分接头结构米建
由于单元网格划分中的单元形状和大小都对
立有限元模型。与ド法兰相连的筒体,根据圣维
分析结果精度有影响,有必要在设计之初使考虑
南原理,只需要考虑长度L=2.5√R(R是与法兰相网格划分的单元形状和大小。单元形状一般选用
连的筒体平均半径,t是筒体的厚度)的一段,就四边形单元或者带中间节点的三角形单元,且保
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