摘 要

省煤器是用于回收锅炉尾部烟道中所排烟气余热的设备，为了保证省煤器能够安全稳定地长期运行，就要对省煤器进行正确的应力分析。由于省煤器受温差应力影响较大，因此热应力的准确计算对省煤器的应力分析至关重要。

本文在简述了国内外换热器设计现状的基础上，为了能够得到省煤器的准确受力状况，采用ANSYS软件对省煤器进行有限元模拟计算，完成省煤器的设计。该省煤器壳程含膨胀节，结构较为复杂。为了分析温差的影响，先对省煤器壳程进行温度场分析，得到了省煤器的温度场分布情况，验证了ASME 中的“表皮效应”；然后选择两种机械载荷和热应力组合的工况对省煤器进行整体的强度分析，提取出管板、换热管、膨胀节及壳体等结构的危险点进行应力线性化处理，进而按照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计》对省煤器进行应力强度校核；最后对省煤器壳体设置膨胀节的必要性做了分析。

本文建立1/30省煤器有限元模型进行模拟计算，计算结果与1/4模型数据基本吻合，说明本文所建立模型的正确性，为此类设备的分析设计提供了一定的计算依据。

关键词：省煤器 膨胀节 热应力 表皮效应 有限元 分析设计

Design by Analysis of Economizer with Expansion Joint

Abstract

The economizer is used to recover the waste heat from the flue gas in the tail of the boiler. In order to ensure that the economizer can be safe and stable during long-term operation, it’s necessary to make stress analysis for economizer. Thermal stress has great influence on economizer, so calculating the thermal stress accurately is crucial in stress analysis.

Based on the current design code of heat exchanger, the stress distrubution of equipment was simulated through ANSYS software in order to design economizer. The shell side of the economizer contains expansion joint, which makes the structure more complex. Considering the influence of the difference of temperature, the temperature field of the economizer was analyzed, and the temperature field distribution was obtained. The temperature result also verified skin effect of the ASME standard. Then the two kinds of mechanical load and thermal load were applied to the model, so the strength of the whole economizerwas obtained. Making stress linearization for heat transfer tube, expsion joint and shell structure, which existed the dangerous stress point, and the stress intensity assessment was made in accordance with JB4732-1995. Finally, the necessity of setting expansion joint in economizer shell was analyzed.

The stress distribution of the economizer with expansion joint was calculated through F.E.A, the simulation result of 1/30 model is consistent with 1/4 model’s, which proves the correctness of the model established, and the result can provide a basis for the design of the economizer.

Key Words: Economizer; Expansion Joint; Thermal Stress; Skin Effect; Finite Element Analysis; Design by Analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题来源 1

1.2研究意义 1

1.3国内外相关标准 2

1.4分析方法 3

1.4.1解析法 3

1.4.2工程近似法 3

1.4.3数值法 4

1.5波纹管膨胀节有限元分析 5

1.5.1膨胀节的强度研究 5

1.5.2膨胀节的刚度研究 5

1.6本论文研究内容 6

第二章 省煤器的结构设计 8

2.1省煤器的管板设计 8

2.1.1管板的影响因素 8

2.1.2管板设计计算方法 8

2.2省煤器的膨胀节设计 9

2.2.1膨胀节的型式 9

2.2.2膨胀节的设计计算 10

2.3换热管与管板连接结构设计 11

2.3.1强度胀接 11

2.3.2强度焊 11

2.3.3胀焊并用 11

2.4本章小结 12

第三章 省煤器有限元模型分析 13

3.1省煤器基本参数 13

3.1.1模型尺寸参数 13

3.1.2省煤器主要工艺参数 15

3.1.3模型的材料数据 16

3.2模型假设及简化说明 16

3.3建立有限元模型 17

3.3.1单元类型 17

3.3.2网格划分 18

3.4载荷和位移边界条件 19

3.4.1温度边界条件 19

3.4.2位移边界条件 20

3.4.3 载荷工况的确定 20

3.5简化模型与全模型温度场对比 21

3.6本章小结 23

第四章 省煤器应力计算及强度评定 24

4.1材料性能 24

4.2应力判定规范 24

4.3各载荷工况应力分析 25

4.3.1 工况一：管、壳程压力同时作用 25

4.3.2 工况二：管、壳程压力和温度载荷共同作用 29

4.4有无膨胀节省煤器分析 33

4.5本章小结 35

第五章 省煤器经济性核算 37

第六章 结论 37

参考文献 38

致 谢 40

附 录 41

第一章 绪论

1.1课题来源

本课题为对某煤气—锅炉水省煤器整体及其零部件进行有限元应力分析。该省煤器壳程含膨胀节，管板与壳程筒体为全焊透的连接方式，管板与换热管的连接方式为强度焊 贴胀，因此温度对省煤器的受力影响较大。故本文对省煤器的壳程结构以及膨胀节、管板等部件进行多种载荷工况下的应力分析评定。

1.2研究意义

省煤器正常运行时，管板首先要受管壳程压力的作用，其次也有温差应力的作用，因此管板厚度要满足一定的要求，但管板过厚就要消耗大量的金属，有时还会降低换热面积，影像设备性能，所以在管板设计的过程中就要采用各种方法降低其厚度^[1]。有实验研究表明温差应力会影响管板厚度，而膨胀节可以有效地降低热应力，因此对含膨胀节的省煤器进行整体及局部应力分析，可以更好地了解省煤器安全稳定运行的必要条件，进而更好地改进省煤器的结构，这对于提升换热效率、延长设备寿命都有十分重大的意义^[2]。

在省煤器壳程设置U型膨胀节，可以降低省煤器的热应力^[2]。它不仅具有吸收轴向、横向应力的作用，同时具有柔性好、耐高温及腐蚀能力强、承压能力高的优点^[3]。采用有限元法计算含膨胀节省煤器的应力，证实了省煤器设置膨胀节的必要性，并了解机械载荷和热应力对含膨胀节省煤器壳程结构的不同影响，为确保换热器安全稳定运行有重大的意义^[4]。

相关图片展示：