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    蒸汽冷凝罐的設計與強度校核

    來源: 樹人論文網 發表時間:2021-01-11
    罐體頂部由于抽真空的作用,負壓影響最大;罐體的底部因為受到罐體自重和液體重力的作用,重力影響最大。另外,上下封頭焊接處的剛度最強,應力影響相對較小。綜合可見,在罐體
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      罐體頂部由于抽真空的作用,負壓影響最大;罐體的底部因為受到罐體自重和液體重力的作用,重力影響最大。另外,上下封頭焊接處的剛度最強,應力影響相對較小。綜合可見,在罐體頂部易產生失穩風險,在罐體底部受力最大,易發生應力集中。

    智能制造

      本文源自智能制造 2020年4期《智能制造》(月刊)創刊于1994年,面向國內外公開發行.雜志以提高企業應用水平,追蹤技術研發熱點,報道市場發展動態為鮮明特點,生動、及時地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領域的新動態。目前是CAD領域的專業雜志。內容涉及制造業和IT行業兩大方面內容,信息量豐富。內容主要包括:國內外CAD/CAE/CAM技術發展水平與動向;工程設計,制造領域的計算機應用技術,如CAD、CAE、CAPP、CAM、CIMS技術的開發與應用等;各委、部、地方“CAD應用工程”和產業政策;企業應用經驗;技術問題分析與研討;人才培訓信息等。

      一、引言

      隨著我國經濟的高速發展,各個產業規模連年壯大,相應的工業廢水量也在逐年增長。電力、化工、冶金和食品等行業產生的工業廢水大多是高鹽廢水,被污水處理行業認為是高處理難度廢水。高鹽廢水的直接排放行為已經被環境保護部門明令禁止,可見其危害之大。先進的MVR蒸發結晶技術可以高效地實現鹽分從水中分離,具有很好的實用性和經濟性。蒸汽冷凝罐是蒸發系統中使用量很大的必需設備,以此為例進行有限元強度分析,探索有限元分析工具在MVR蒸發系統中的應用價值。

      二、罐體概述

      蒸汽冷凝罐是整個蒸發系統中的工作設備之一,罐體內的壓力由罐頂的泄壓閥調節,始終保持與蒸發系統的其他設備壓力一致。由于主蒸發器為真空負壓,蒸汽冷凝罐體內工作壓力也相應為負壓。因此,蒸汽冷凝罐屬于真空容器,須采用GB150的外壓容器設計原則。罐體的設計是穩定性計算,對罐體壁厚的計算是為了防止罐體在負壓作用下發生殼體失穩。罐體的工作尺寸如表1所列。

      1、壁厚計算

      2、壓力試驗計算

      試驗壓力值P=1.25Pc =0.125MPa。壓力試驗允許通過對應力水平[σ]≤0.9σs =405MPa。

      三、有限元建模

      1、建立三維模型

      蒸汽冷凝罐的三維模型由專業三維設計軟件繪制,模型尺寸采用SI(mm)國際單位制,根據生產工藝圖紙1:1實現,如圖1所示。依據GB150的要求,罐身材料選用具備耐腐蝕和高強度的2205標準雙相不銹鋼材質。

      2、建立有限元模型

      有限元分析依據強度理論,將三維模型導入到ABAQUS有限元分析工具中,對表現宏觀應力不起關鍵作用的零部件進行簡化處理,以突出主體工作部位工況條件下的力學響應,同時提高計算速度。要建立蒸汽冷凝罐有限元分析模型,必須輸入必要的材料參數和邊界條件。再通過合理的網格劃分,對有限元模型進行必要的前處理。

      在有限元軟件中,也采用SI(mm)國際單位制,輸入罐體的材料參數。其中,罐身材質為標準雙相不銹鋼2205,由ASME規范的材料數據,常溫下該材料最小力學性能的數值如表2所列。高溫下(38~316℃)的最大許用應力范圍是155~139MPa,熱膨脹系數(20~100℃)為1.3 e-5mm/℃。

      ABAQUS軟件提供了非常方便高效的網格劃分手段,蒸汽冷凝罐體適用殼單元模型。蒸汽冷凝罐罐體的網格單元共計32 368個,節點共計32 756個。罐體與底座采用一維剛性連接,法蘭與罐體設置為共節點,劃分結果如圖2所示。

      3、載荷與約束

      為避免流體運動帶來的微觀力學響應部分,將罐體內部液體視為相對靜止。將罐體自重、液體的重力以及工況時負壓作為主要的宏觀力學考查因素。蒸汽冷凝罐所受載荷主要有三部分:第一部分為空載時罐體的自重;第二部分為靜水壓力,即水壓;第三部分為蒸發系統工作時抽真空帶來的負壓,即外壓。

      四、結果分析

      1、有限元分析

      利用有限元軟件對模型受自重、水壓和負壓的綜合作用進行計算。得到Mises應力分布和位移分布云圖,Mises應力云圖如圖3所示,位移分布云圖如圖4所示。

      從圖3中能夠清楚地看到應力集中部位及其應力值的大小。應力最大部位發生在支座與罐體連接位置,即罐體底部支座與罐體接觸部位,最大Mises應力為21MPa,如圖5所示。另一處應力較大部位發生在罐體底部,Mises應力17MPa,如圖6所示。兩處的最大應力都遠低于材料的屈服強度,證明罐體的設計強度足夠。

      從圖4中可見,最大位移發生在罐體頂部的法蘭端部,最大位移量0.6mm,相較于罐體總尺寸而言,工況條件下的位移量非常小,可以忽略不計,證明罐體的設計剛度足夠。

      2、強度校核

      罐體在工況條件下,除了自重外,還有水重,這里合并計算,有限元模型提取罐體自重96.2kg,液體體積212L。

      計算冷凝罐體負壓造成的外壓影響,即空氣對罐體外壁的壓強,然后將壓強作為載荷加載到壓力容器外表面。由于罐頂泄壓閥的調節作用,罐體內的負壓始終保持與蒸發系統的壓力一致,因此不論罐體內是空載還是滿載,負壓的影響不變。統計罐身處從罐底至罐頂的應力和位移分布,如圖7所示。

      綜合分析可知,罐體頂部由于抽真空的作用,負壓影響最大;罐體的底部因為受到罐體自重和液體重力的作用,重力影響最大。另外,上下封頭焊接處的剛度最強,應力影響相對較小。綜合可見,在罐體頂部易產生失穩風險,在罐體底部受力最大,易發生應力集中。

      五、結論

      ◎依據國標GB150設計原則計算罐身的許用應力,確定通用鋼板厚度能夠滿足設計要求;

      ◎對罐體進行三維建模,并基于強度理論合理劃分網格,以提高計算精度;

      ◎根據設計和工況條件,確定邊界條件和載荷,模擬計算滿載時的罐體受力響應;

      ◎通過模擬結果分析和強度校核,發現易發生失穩風險的部位在罐體頂部、底部和支座連接處。但是經過計算,危險發生的概率非常低,幾乎可以忽略,進而驗證了罐體設計的合理性和有限元模型的有效性。

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