[發(fā)明專利]一種大型復(fù)雜工況換熱器管板的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810204080.0
• 申請(qǐng)日: 2018-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108319798B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳永東;姚志燕;張中清;李志
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥通用機(jī)械研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 合肥和瑞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

本發(fā)明屬于換熱器管板厚度設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大型復(fù)雜工況換熱器管板的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明通過(guò)有限元方法在研究各具有代表性的單一載荷即即管程壓力、殼程壓力、溫差載荷的作用下，換熱器各關(guān)鍵部位的應(yīng)力隨管板厚度的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)各載荷引起的應(yīng)力組合的分析，同時(shí)結(jié)合分析設(shè)計(jì)應(yīng)力分類法和各類應(yīng)力的許用極限，初步確定換熱器管板的設(shè)計(jì)厚度，最后對(duì)管板初步設(shè)計(jì)厚度在設(shè)計(jì)載荷即管程設(shè)計(jì)壓力、殼程設(shè)計(jì)壓力、管殼程設(shè)計(jì)壓力和多個(gè)特殊工況載荷作用下進(jìn)行校核，最終確定管板設(shè)計(jì)厚度。本發(fā)明所得到的管板設(shè)計(jì)厚度最小，在保證了設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，避免大量的設(shè)計(jì)冗余。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于換熱器管板厚度設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大型復(fù)雜工況換熱器管板的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

大型復(fù)雜工況換熱器是一種直徑遠(yuǎn)超出GB151的設(shè)計(jì)范圍，工作過(guò)程復(fù)雜的換熱器，如丁辛醇生產(chǎn)裝置中的丁醛轉(zhuǎn)化器、丁醇轉(zhuǎn)化器等，其工作過(guò)程不僅包括轉(zhuǎn)化反應(yīng)和換熱的正常操作工況，還包括催化劑氧化、還原等特殊工況。據(jù)了解，目前此類換熱器中已有國(guó)產(chǎn)化丁醛轉(zhuǎn)化器投入運(yùn)行，但是國(guó)產(chǎn)丁醛轉(zhuǎn)化器的管板普遍較厚(如：Φ4900mm丁醛轉(zhuǎn)化器管板厚度為80mm，Φ4600mm丁醛轉(zhuǎn)化器管板厚度為66mm，Φ4100mm丁醛轉(zhuǎn)化器管板厚度為60mm)，使得國(guó)產(chǎn)丁醛轉(zhuǎn)化器在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。根據(jù)調(diào)查和分析，目前在諸如丁醛轉(zhuǎn)化器這類大型復(fù)雜工況換熱器管板設(shè)計(jì)時(shí)一般采用解析法初步估算管板厚度，再采用有限方法對(duì)其進(jìn)行校核，但在有限元模型建立時(shí)采用梁或桿單元模擬換熱管，并對(duì)管板進(jìn)行了等效處理；梁、桿單元的使用和管板的等效處理都無(wú)法準(zhǔn)確的模擬換熱管與管板連接局部的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，此外，管板等效處理的合理性也可能影響校核計(jì)算的準(zhǔn)確性。

因此，開(kāi)發(fā)出一套能夠在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，避免大量的設(shè)計(jì)冗余的大型復(fù)雜工況換熱器管板設(shè)計(jì)方法是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種大型復(fù)雜工況換熱器管板的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下，避免大量的設(shè)計(jì)冗余。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)措施：

一種大型復(fù)雜工況換熱器管板的設(shè)計(jì)方法，包括以下操作步驟：

建立有限元全實(shí)體計(jì)算模型；

改變換熱器管板的厚度，并分別對(duì)各個(gè)厚度管板的換熱器施加最苛刻的單一載荷，比較在最苛刻的單一載荷的作用下，隨著換熱器管板的厚度的變化，換熱器的各個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)力的變化；

在不同換熱器管板的厚度下，分別疊加換熱器的每一個(gè)關(guān)鍵部位在不同類型的單一載荷下的應(yīng)力，并選出在不同換熱器管板的厚度下的最大的一次應(yīng)力值以及一次加二次應(yīng)力值；

結(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)材料在設(shè)計(jì)溫度下的限制應(yīng)力值，對(duì)所述最大的一次應(yīng)力值以及一次加二次應(yīng)力值進(jìn)行比較分析，確定換熱器管板的初步設(shè)計(jì)厚度；

將所述換熱器管板的初步設(shè)計(jì)厚度建立在有限元全實(shí)體計(jì)算模型中，在設(shè)計(jì)工況以及多個(gè)特殊工況載荷的作用下對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，確定換熱器管板的最終厚度。

優(yōu)選的，所述最苛刻的單一載荷包括換熱器管程壓力最大值、換熱器殼程壓力最大值以及換熱器管殼程最大溫差。

優(yōu)選的，所述有限元全實(shí)體計(jì)算模型包括換熱器管板、鍛環(huán)、換熱管束、殼程筒體、管程筒體；所述換熱器管板與鍛環(huán)之間連接，換熱器管板與換熱管束之間連接，鍛環(huán)與殼程筒體之間連接，鍛環(huán)與管程筒體之間連接。

進(jìn)一步的，所述改變換熱器管板的厚度即為逐步減小換熱器管板的厚度。

進(jìn)一步的，所述換熱器的各個(gè)關(guān)鍵部位包括所述鍛環(huán)與殼程筒體連接處、鍛環(huán)與管程筒體連接處、鍛環(huán)與換熱器管板連接處、換熱器管板的過(guò)渡圓弧中部、換熱器管板的布管區(qū)、換熱管束。