摘 要

由于传统的管板设计方法参数计算公式多，步骤过程繁琐，十分费时费力。因此使用 ANSYS 有限元分析软件，取1/2废热锅炉整体结构建立有限元模型，对该模型进行温度场分析，得到温度应力云图，确定设备各个位置的温度分布。之后综合考虑温度载荷和压力的作用，将求得的节点温度作为体载荷加到结构分析中的各节点上，进行了三种工况下的应力分析计算。结果表明，在管程压力、壳程压力和温度载荷的共同作用下，应力最大值出现在管板和换热管连接的地方。对管板应力最大处进行应力线性化操作，具体为通过模型节点定义不同路径进行强度校核。评定结果显示，在各工况下设备均满足JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》设计要求。

关键词：有限元 管板 废热锅炉 应力

Abstract

The traditional design method of tubesheet including numerous calculation formula, the procedure is tedious, very time-consuming and laborious. Therefore, half a boiler structure is selected for modeling by using engineering software ANSYS. The temperature field calculation of the simplified model was then analyzed to obtain the temperature stress contour, so the temperature distribution of each position of the whole model are determined. After that, considering the effect of the temperature and load force, the joint temperature obtained is added to each node as the body load in the structural analysis. After that, the results of stress analysis under three different operating conditions are acquired. The maximum stress occurs near the joint of tubesheet and heat exchange tube. Then, stress linearization is carried out around the maximum stress of the tubesheet. Specifically, strength assessment is executed by different paths defined through model nodes. Then stress values on the paths are treated with linearization process．The results of stress analysis and strength assessment indicate that the design of the tubesheet structure can meet the strength requirements under three working conditions．

Keywords：ANSYS finite element software; tubesheet; waste heat boiler; stress

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究意义 1

1.2废热锅炉简介 1

1.3 管板的设计 2

1.3.1传统设计方法 2

1.3.2有限元法的应用 2

1.4余热锅炉设计的发展方向 3

1.5任务说明 3

第二章 部件主要尺寸计算 4

2.1涉及符号 4

2.2筒体厚度计算 4

2.3换热管厚度计算 5

2.4管板厚度计算 5

第三章 建模过程 6

3.1主要使用软件 6

3.2概况 6

3.3计算用实体模型 9

3.4单元类型选取 10

3.5网格划分 10

3.6施加约束及载荷 11

3.7温度场分析 12

3.8应力分析及强度评定 13

3.8.1应用规范及应力强度确定依据 13

3.8.2涉及材料的许用应力 14

3.8.3锅壳蒸发器结构应力分析 14

3.9分析小结 23

第四章 管板应力分析和强度评定 24

4.1应用规范及应力强度确定依据 24

4.2涉及材料的许用应力 24

4.3管板应力分析 24

3.3.1两种工况下的应力分析 24

4.3.2强度评定结果 28

第五章 经济性分析 32

第六章 结论与展望 33

6.1工作总结 33

6.2展望 33

参考文献 34

附录 36

附录1 沿Path1线性化结果 36

附录2 沿Path2线性化结果 39

附录3 沿Path3线性化结果 42

附录4 沿Path4线性化结果 45

致谢 47

第一章 绪论

1.1研究意义

废热锅炉主要是通过将各种工业处理过程中产生的废料的余热以及未完全燃烧的燃料利用起来从而达到能量回收目的的设备。在生产工艺流程中加入废热锅炉这一处理步骤，可以有效的提高能源使用率、减少能源消耗、减少企业的生产成本并对减少有害物质的排放有帮助。现如今，在各种能源逐渐枯竭的时候，开发新能源是一方面，但是更重要的是节约能源，因此对能量的回收工作就显得很有必要。

随着石油，冶金等工业的快速发展，废热锅炉设备的应用变得普及化，设备的作业情况也已经变得越来越复杂。因此，废热锅炉的设计显得尤其重要，而其不规则的形状和复杂的工况使得设计计算具有较大难度。废热锅炉在设计中的强度校核对象主要是管板、接管、换热管以及壳体的强度满足要求。而相应的，管板和换热管连接的地方是尤其需要注意的。管板即为在钢板上钻出比换热管直径稍大一些些孔的带有大量孔的圆形钢板，加工起来较为复杂，主要作用是固定数量庞大的换热管束并起到密封效果。管板是废热锅炉中非常重要的承压原件，由于管板的结构和承载情况较为复杂，在高温高压的环境中很容易损坏，通过传统的方法对管板应力的计算很困难。如果仅仅增加管板厚度来达到强度要求缺少科学性同时也大大增加了制造成本达不到经济性的要求。所以，通过有限元手段对管板进行的应力分析和强度计算，优化其结构对于设备安全和减少制造成本都有着重要价值。

1.2废热锅炉简介

废热锅炉的主要组成部件有蒸发器、省煤器和过热器等。其中蒸发器主要包括锅炉中的水冷壁和换热管束。其具体的工作流程如下：工业燃料经过燃烧后产生的高温烟气通过炉膛进入前烟箱，前烟箱中布置有相应的对热量进行回收的装置。再通过烟火管进入后烟箱，后烟箱烟道中也有对应的热量回收设置。最终高温烟气温度大大降低后排到大气。回收的热量用于产生水蒸气作别的用途，废热锅炉有效的提高了燃料所产生的热量的利用率。废热锅炉有管壳式和烟道式两大类，管壳式结构相较紧凑因而尺寸较小，而烟道式需要将设备布置成为烟道形式和很大的水管受热面积，尺寸较大。

1.3 管板的设计

1.3.1传统设计方法

截止到目前，有关换热器管板分析设计方面已经有了不少来自各国学者的研究，最终形成了一些人们熟知的纸面标准。在美国主要依照TEMA标准，日本则是遵守日本工业标准（JIS），欧盟有统一的EN标准，此外还有德国的AD规范。在中国对应的是GB 151等相关的管板设计标准。GB 151中的管板设计的是对管板进行简化处理，把它等效为受到均匀分布载荷作用，管孔的削弱也考虑为均匀的当量圆形平板。其中主要介绍了U形管式，浮头式，填料函式和固定管板式热交换器的管板及相关原件的强度校核和计算。同时针对管板与壳程圆筒，管箱圆筒之间的七种连接方式分别列出了计算标准。

设计过程主要有管板弹性分析，管板应力校核和管板应力调整。首先设法建立壳体和管板等主要元件的位移与元件上的受力的关系式，根据变形条件得到相应的方程组，求解后计算出危险截面上的应力，并且对求得的应力分别进行校核。最后，若是管板应力超过了许用应力，可以通过增加管板厚度和降低壳体轴向刚度的方法来进行调整从而满足强度要求。

1.3.2有限元法的应用

有限元法的应用操作步骤主要分为三步：1.前处理：建模或直接导入分析对象模型，设置好各项材料参数以及划分合适数量和大小的网格。2.求解：施加约束和载荷，通过计算机进行计算得到成果。3.后处理：对所得数据分析处理并对结果进行验证。

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