基于ANSYS的受熱設備全過程模擬計算

姜 垠

（湖南漢華京電清潔能源科技有限公司，湖南湘潭 411100）

加熱設備是化工設備中一種主要設備，對于加熱類設備，設備設計人員常見做法就是考慮材料、壓力、溫度是否匹配并給出計算壁厚作為設備設計的主要參數。引用GB/T150-2011計算壁厚的計算公式可以發現：在符合壁厚公式計算條件下，設備的壁厚只與具體的某幾個設計參數相關，公式并沒有考慮到設備具體可能產生的受熱情況、時間及加熱方式等一系列的中間過程。這就要求設計人員在進行設備設計時均充分了解設備可能的運行工況以及特殊工況并在設計時考慮其影響。

本文基于ANSYS軟件建立設備結構模型，通過實例描述受熱設備中間過程給設備造成失效的影響，以此來提醒設備設計人員在設計過程中應考慮設備全部可能的運行工況。

1 工況描述

如圖1 中所示，某實驗裝置為套管式結構，外部纏繞電加熱元件進行加熱，保證內管內物料在實驗過程中恒溫320℃，內管與外管之間為保證內管加熱均勻設置一惰性氣體層密閉于環隙中。

圖1 實驗裝置簡圖

整個實驗過程中，每天操作一次，在外部電加熱器（功率 600W）作用下，內筒升到 320℃，保溫一定的時間，然后冷卻至室溫，如此重復操作20個月（循環次數并未達到JB4732-1995標準中限定的1 000次）。如直接引用GB/T150壁厚計算公式，上圖中的壁厚完全能夠保證強度，但進行具體加熱分析時根據實際情況考慮疲勞將會是完全相反的結果。

本報告采用有限元應力分析的方法對實驗裝置參照JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》、ASME VIII.2 Ed 2015 中相關章節進行分析。

內外套管的材料均為GB/T14976標準的S31603管材，其在設計溫度下的許用應力取自 GB/T150.1，其值為：Stm=84MPa。考慮到裝置承受交替加熱的循環載荷，故考慮以下兩種分析。

1.1 強度分析

考慮結構在內壓、溫差載荷作用下的強度是否滿足標準的要求；按JB4732-1995中相關章節要求，對于考慮溫度載荷作用下，其一次加二次應力的許用極限為 3Stm（=3×84=252MPa）；在進行該項分析時，主要考察結構是否滿足本項要求。

1.2 疲勞分析

外夾套外表面在加熱器多次加熱下，判斷結構是否處于安定狀態及多次循環狀態下是否會有不可控的塑性應變增量。

從“1）強度分析”可知，由于內管與外管有著近 200℃的溫差，會在外管與內管墊板的角焊縫處由于熱膨脹差引起較大的溫差應力，該應力是交變的，由于該處的操作溫度已經超過JB 4732中不銹鋼材料的疲勞曲線適用范圍，故參照ASME VIII.2 中相關章節，對該處進行安定性判定。在進行此分析過程中，材料本構采用 Ramberg-Osgood 模型，考察4個操作循環內，外夾套管與墊板焊趾處的應力、塑性應變，并參照 ASME VIII.2進行評定。

2 幾何模型

如圖2所示，由于該實驗裝置為軸對結構，考慮到對稱性，采用軸對稱模型對其建立有限元模型并進行應力分析。

圖2 軸對稱模型

3 單元劃分

如圖3所示，采用PLANE182單元對模型進行網格劃分，在端部外夾套與內筒的連接墊板處對網格進行細化。

圖3 模型單元網格劃分

4 邊界及加載

4.1 溫度場分析

如圖4 所示，進行溫度場分析時，加載邊界：

（1）內管內表面施加對流邊界：由于有少量的氣體流動，該處表面施加對流給熱膜系數；

（2）外夾套外表面與電加熱器緊密貼合，輸入熱流功率：600W；

（3）夾層內氣體由于無流動，不考慮對流傳熱，僅考慮熱輻射，施加輻射邊界。

圖4 溫度場分析邊界及加載

4.2 應力場分析

4.2.1 邊界

（1）套管下表面限制其軸向位移為 0；

（2）套管蓋板與軸線重合處限制其徑向位移為 0；

4.2.2 加載

（1）內管內表面物料操作狀態下的壓力；

（2）夾層內腔操作狀態下的壓力。

圖5 應力場分析邊界與加載

5 有限元分析結果

5.1 強度分析

靜態溫度場溫度分布云圖如圖6 中所示。可以看出在外加熱器作用下，內筒可以獲得穩定的320℃實驗條件。

圖6 靜態溫度場溫度分布云圖

如圖7所示，在溫度場及內壓同時作用下，套管處最大應力強度點出現在外套管與內管墊板連接焊縫的焊趾處，從該處取應力線性化處理路徑進行應力線性化處理，可以得到沿著焊腳最短路徑下的各項應力強度值。

圖7 應力強度分布云圖

應力線性化處理路徑結果見圖8。

圖8 應力線性化處理路徑結果

5.2 疲勞強度分析

夾套管外表面按 4 個操作循環輸入 600W 熱流功率，可以采用軟件提供的功能追蹤得到內管、夾套管溫度-時間變化曲線如圖9所示。

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圖9 內管、夾套管溫度-時間變化曲線

對結構上最大應力強度點（位于外夾套管與內管墊板焊趾處）對應的節點，追蹤其von-Mises 應力-時間變化曲線、塑性應變-時間、von-Mises應力-塑性應變變化曲線如圖10，圖11，圖12中所示。

圖10 內管、夾套管是最大 von-Mises 應力-時間變化曲線

圖11 最大塑性應變-時間曲線

圖12 von-Mises 應力-應變滯洄曲線

從圖11中可以看出，每一次加卸載循環，均有新的塑性應變Δεp增量產生，同時從圖12可以看出，每一次加載、卸載循環操作，其應力-應變滯洄曲線未形成閉環。

6 評定

過程分析

1）在當前操作溫差作用下，結構上的過焊趾且垂直于角焊縫外表面的路徑進行應力線性化處理后，得到的一次加二次應力強度pm+pb+Q=864.27MPa＞＞3Stm，表明該路徑強度按JB4732中對一次加二次應力的評定是無法通過的，焊縫在長期操作狀態下是不安全的。

2）結構處于非安定狀態，多次加載、卸載將產生塑性應變的累積。

根據 ASME VIII.2 Ed 2015 中彈塑性分析的相關章節，如果在多次反復加載過程中，出現累積的塑性應變增量，則結構處于不安定狀態，從圖11和圖12 可知，是不滿足安定狀態要求；

多次加載，在給定循環次數下焊趾處的塑性應變增量可以按下面的方法進行計算： 在多次加載、卸載情況下，其總的塑性應變累積量計算如下：

其中：

n為循環次數，每天一次加卸載計，則n=20×30=600

則在使用過程累積的總的塑性應變：

εp，total＝600×0.003 1=1.86 ＞＞ 材料的拉斷伸長率！！是肯定發生破壞的。

6.2 評定結果

1）夾套管與內管墊板連接的環向角焊縫強度，在實際操作溫差下，沿最短承載截面上應力超過標準許用值，強度不滿足要求；

2）該角焊縫焊趾處，在多次加卸載循環下，按失效前已經使用的循環次數計算，累積的塑性應變已經大于材料的拉斷伸長率（對于不銹鋼通常是 ≥40%）是肯定會發生破壞的。

7 結論

1）利用ANSYS軟件建立設備有限元模型，利用第三強度理論進行分析，由JB4732-1995設計標準給出強度判定。計算結果表明，在常規設計方法無法進行溫度計算且無工程經驗數據的情況下，應力分析法能準確模擬出設備各處的溫度場，根據溫度場可能產生的溫差計算內筒的應力值，此時計算結果與常規設計方法計算出的結果完全相反，給出了不合格的判定。

2）考慮溫差較大的情況下也有較多的循環次數，根據ASME VIII.2 Ed 2015 中彈塑性分析的相關章節對材料進行疲勞計算給出材料將會失效的判定。

3）設計人員對加熱類設備進行設計時，一定要仔細研究設備可能遇到的各種工況，特別是中間過程均需給予考慮，不能只以正常運行時穩定工況進行計算而給出錯誤的設計。