夾套管封閉件結(jié)構(gòu)型式的探討

張建秀，劉軍旺，蔣培培，劉國振

（1.河北正元化工工程設計有限公司， 河北 石家莊 050061）

（2.河北陽煤正元化工集團有限公司， 河北 石家莊 050061）

夾套管一般是用來加熱或維持流體溫度的特殊管道，它的結(jié)構(gòu)是內(nèi)管走工藝介質(zhì)，外管套在內(nèi)管上，之間有一定的空間，用來走提供熱量的流體。外管封閉件主要分兩種結(jié)構(gòu)，有封閉環(huán)和封閉錐兩種，見圖1所示。本文運用Ansys workbench軟件對兩種結(jié)構(gòu)在壓力載荷和壓力-溫度載荷作用下進行分析比較。

圖1 外管封閉件

1 有限元模型的建立

主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

金屬材料的導熱系數(shù)取自GB/T 151[1]附錄F表F.1，彈性模量及線膨脹系數(shù)取自GB/T150[2]附錄B表B.13和B.14，本文不再列出。夾套管結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此建立了1/8模型。夾套管應校核五種工況下的應力強度，五種工況見表2。

表2 各計算工況

首先對夾套管兩種結(jié)構(gòu)進行建立有限元模型[3]，封閉環(huán)結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2，封閉錐有限元模型見圖3。

圖2 封閉環(huán)有限元模型

圖3 封閉錐有限元模型

載荷及邊界條件：

位移約束：內(nèi)管底部施加軸向位移約束和圓周方向約束，對稱面施加對稱約束[4]；壓力載荷：外管內(nèi)表面及內(nèi)管外表面施加壓力載荷；溫度載荷：內(nèi)管內(nèi)表面施加內(nèi)管工作溫度；外管內(nèi)表面及內(nèi)管外表面施加外管工作溫度；保溫層外表面施加環(huán)境溫度和空氣的對流傳熱系數(shù)[4]。

2 有限元分析結(jié)果

本文主要探討外管封閉件的結(jié)構(gòu)形式，因此僅計算工況一、工況三和工況四。

2.1 溫度場分析結(jié)果

按上述溫度場條件分別對兩種結(jié)構(gòu)施加溫度場條件，然后求解，圖4為兩種結(jié)構(gòu)溫度場云圖。從溫度場云圖可知，兩種結(jié)構(gòu)在內(nèi)管內(nèi)表面溫度與內(nèi)管介質(zhì)溫度相近，內(nèi)管外表面、外管溫度與外管介質(zhì)溫度相近，而在封閉件與內(nèi)管連接處出現(xiàn)較大的溫度梯度。

2.2 工況一下計算結(jié)果

在外管壓力作用下應力云圖如圖5所示，從圖5可以看出，兩種結(jié)構(gòu)下最大應力值均小于材料的許用應力。

圖4 溫度場云圖

圖5 工況一應力云圖

2.3 工況三下計算結(jié)果

在溫度作用下應力云圖如圖6所示，從圖6可以看出，封閉環(huán)結(jié)構(gòu)最大應力值為657MPa，而封閉錐結(jié)構(gòu)最大應力值僅為343.65MPa，遠小于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)下的應力值。

2.4 工況四下計算結(jié)果

在溫度和外管壓力作用下應力云圖如圖7所示，從圖7可以看出，封閉環(huán)結(jié)構(gòu)最大應力值為660MPa，封閉錐結(jié)構(gòu)最大應力值僅為366.95MPa，遠小于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)下的應力值，但最大應力值均比溫度單獨作用下略大。

3 分析與討論

從以上分析結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)的最大應力均發(fā)生工況四，即溫度與外管壓力耦合工況，因此對工況四做線性化路徑分析。

3.1 封閉環(huán)

封閉環(huán)結(jié)構(gòu)通過最大應力點做線性化路徑。局部薄膜應力SⅡ=246.23MPa，薄膜應力+彎曲應力SⅣ=686.95MPa，均遠大于3Sm，因此封閉環(huán)結(jié)構(gòu)校核不合格。

3.2 封閉錐

封閉錐結(jié)構(gòu)通過最大應力點和外管過渡段做線性化路徑，線性化結(jié)果見表3。

圖6 工況三應力云圖

圖7 工況四應力云圖

表3 工況四下封閉錐線性化應力校核

3.3 討論

從以上結(jié)果可知，僅在壓力作用下，兩種結(jié)構(gòu)的應力都比較小，均小于材料的許用應力，而在溫度載荷作用下，由于內(nèi)管與外管熱位移不同和封閉環(huán)結(jié)構(gòu)具有較大的剛性，內(nèi)管受到軸向約束較大，從而造成了封閉環(huán)結(jié)構(gòu)是不滿足強度要求的，而封閉錐柔性較好，內(nèi)管受到的軸向約束小于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此封閉錐結(jié)構(gòu)的應力小于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，且封閉錐結(jié)構(gòu)滿足強度要求。因此在夾套管的內(nèi)管與外管熱位移不同的情況下，封閉錐結(jié)構(gòu)要優(yōu)于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

(1)應用Ansys workbench軟件建立了夾套管有限元模型，并分別進行了溫度場、機械場和耦合分析，得出了夾套管的溫度和應力分別情況。

(2)對夾套管封閉件進行了比較，得出了在內(nèi)管與外管熱位移不同的情況下，封閉錐結(jié)構(gòu)優(yōu)于封閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

(3)對于夾套管的設計，考慮熱應力并進行溫度場與機械場的耦合分析非常有必要。

◆參考文獻

[1] GB/T 151-2014，熱交換器[S].

[2] GB/T 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[3] 于偉煒，高炳軍. ANSYS在機械與化工裝備中的應用（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[4] 李建國. 壓力容器設計的力學基礎(chǔ)及其標準應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.