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应用TEMA-9th进行膨胀节分析设计

第 52 卷第 3 期2015 年 6 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPING

V ol. 52 No. 3Jun. 2015

应用TEMA-9th 进行膨胀节分析设计

杨建良,杨湖

(无锡化工装备股份有限公司,江苏 无锡 214131)

摘 要:按照TEMA-9th,使用有限元分析软件ANSYS 对膨胀节模型进行分析设计。简单叙述了TEMA-9th 关于膨胀节计算的要求及关键步骤,并通过实例较为完整地对膨胀节进行了分析,对膨胀节在使用有限元分析设计中起到了指导作用。对ANSYS 软件分析结果与TEMA-8th 标准计算结果相比较,TEMA-8th 设计值远大于有限元分析值,此标准在膨胀节的设计中仍具有较大的保守性。关键词:ANSYS ;膨胀节;TEMA ;压力容器;ASME

中文分类号:TQ 050.2; TH 122 文献标识码:A 文章编号:1009-3281(2015)03-0024-005

收稿日期:2014-08-18

作者简介: 杨建良(1985—),男,江西宜春人,助理工程师。从

事压力容器设计相关工作。

膨胀节是压力容器中重要的弹性补偿元件,其设计、计算有别于其他受压元件,只能根据自身特点进行相关设计[1]。在设计中涉及多方面要求,如压力、刚度、腐蚀性、补偿量、疲劳等[2]。膨胀节在换热器设计中得到广泛应用,可以有效地减少换热管与壳体变形不一致产生的应力。换热器设计标准《美国管壳式换热器制造商协会标准》TEMA 中[3-4],有相关膨胀节的设计要求。

随着计算机技术的提高,计算机辅助设计近年来也得到了大力发展,许多大型商业有限元软件也得到了广泛的应用,其中以ANSYS 使用最为广泛。ANSYS 具有强大的前处理功能[5],另外可以提供较为方便的模型建立模块,快捷方便地建立膨胀节模型,同时具有完善的网格划分功能、完善的计算模块、多种不同类型的计算能力和高效的后处理能力。ANSYS 的后处理分为通用后处理模块和时间历程后处理模块两部分。后处理结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度等,输出结果可以是图形显示和数据列表两种[6]。

1 TEMA 膨胀节设计

在TEMA-8th 设计标准中使用材料力学的方法来建立膨胀节力学模型,一般将力学模型简化为曲梁、环板,并且引入修正系数[7]。此标准中应力分类及评定如下[8]:

(1)内压引起的膨胀节的周向薄膜应力和经向

薄膜应力,为一次总体薄膜应力,沿厚度方向均匀分布;

(2)内压引起的经向弯曲应力,其简化模型为受到均布载荷的梁模型,此应力具有非自限性,沿厚度方向线性分布;

(3)轴向伸缩变形引起的膨胀节经向弯曲应力为二次应力,具有自限性,满足变形协调而产生的应力,沿壁厚方向线性分布,用安定性控制。

在TEMA-9th 引入了有限元分析概念,在标准中对膨胀节有限元分析进行了相关规定,其中包括单元类型的选择、网格划分、载荷施加等,但是对校核方法没有做出相关规定[9]。文章通过使用PLANE82单元对膨胀节进行有限元分析。

2 有限元计算

2.1 有限元模型

本文旨在介绍应用TEMA-9th 通过有限元方法对膨胀节进行分析设计,选择膨胀节模型几何尺寸如图1所示。载荷参数:内压P =0.54 MPa ;材料参数:膨胀节材料为SA-516 Gr.70,设计温度t =230 ℃,在此温度下材料许用应力为S m =137.9 MPa (UG-23(e ))[10],壳体平均金属温度T s =19.6 ℃,膨胀系数a s =11.5×10-6 mm/(mm ·℃)

,管程平均金属温度

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