基于有限元法对苯酐冷凝器的改进设计

论文摘要

苯酐冷凝器是苯酐精制生产最重要的换热器之一,其主要失效形式为应力腐蚀。论文分析了苯酐冷凝器产生应力腐蚀的拉应力、腐蚀、材质三个因素,并且提出相应对策。基于有限元法分析,发现在役苯酐冷凝器的温度载荷对苯酐冷凝器造成了较大的热应力,而拉应力主要来源于热应力。论文首次利用有限元法来研究换热器应力腐蚀中的拉应力。建立了包含热影响区在内的苯酐冷凝器三维有限元实体模型,根据计算,得出了温度场,并且清晰地验证了管板温度分布的“表皮效应”。在热-结构耦合分析中,热分析采用SOLID70单元,结构分析采用SOLID45单元。通过选取三条具有代表性的典型路径,按照应力分析设计标准,重点分析了开车、停车瞬态和正常工作稳态三种操作工况下的拉应力和应力强度。基于有限元分析得知,一些路径上的应力强度校核不合格,相应的拉应力值也较高。论文最终提出了同时更新材质、降低管程流体温度及提高壳程冷却水温度等改进设计方案,并且再次利用有限元法对原危险路径上的应力强度进行了改进后的计算。结果表明,改进设计后不但这些路径上的应力强度评定全部合格,而且显著地降低了拉应力,对预防和减少苯酐冷凝器应力腐蚀起到重要的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的提出及意义
• 1.3 国内外现状分析及发展趋势
• 1.3.1 国外关于固定管板式换热器计算的主要规范
• 1.3.2 国内关于固定管板式换热器计算的规范
• 1.3.3 关于固定管板式换热器的有限元分析
• 1.3.4 关于固定管板式换热器的热应力研究
• 1.3.5 关于固定管板式换热器的危险工况
• 1.4 论文主要内容
• 第二章 苯酐冷凝器应力腐蚀原因分析
• 2.1 拉伸应力来源
• 2.1.1 结构应力
• 2.1.2 载荷应力
• 2.1.3 温差应力
• 2.1.4 焊接和冷加工等产生的应力
• 2.2 环境因素分析
• 2.2.1 氯离子腐蚀
• 2.2.2 氧腐蚀
• 2.2.3 酸腐蚀及露点腐蚀
• 2.2.4 其他因素
• 2.3 材质因素
• 第三章 苯酐冷凝器有限元模型的建立
• 3.1 苯酐冷凝器结构及载荷工况条件
• 3.1.1 苯酐冷凝器的主要工艺结构参数
• 3.1.2 苯酐冷凝器的稳态下的载荷工况条件
• 3.2 苯酐冷凝器所用的材料特性
• 3.3 有限元数值分析方法及ANSYS 通用有限元软件简介
• 3.3.1 有限元数值分析方法
• 3.3.2 ANSYS 有限元软件简介
• 3.4 有限单元选择
• 3.4.1 苯酐冷凝器单元结构模型的选择
• 3.4.2 SOLID45 三维实体单元
• 3.4.3 SOLID70 热分析单元
• 3.5 有限元模型的建立
• 3.6 苯酐冷凝器模型的载荷及边界条件
• 第四章 苯酐冷凝器温度场和热应力的计算
• 4.1 传热学基础理论
• 4.2 热分析方式的确定
• 4.2.1 热传导
• 4.2.2 热对流
• 4.2.3 热辐射
• 4.2.4 稳态传热
• 4.2.5 瞬态传热
• 4.3 温度场分布
• 4.3.1 温度分布特点
• 4.3.2 温度场分析小结
• 4.4 热应力分析
• 4.4.1 热应力分析方法的选取
• 4.4.2 在役苯酐冷凝器热应力分析计算
• 4.4.3 热应力分析小结
• 第五章 改进前三种操作工况下苯酐冷凝器的拉应力分析和强度校核
• 5.1 压力容器的分析设计标准
• 5.1.1 应力分类
• 5.1.2 应力强度评定
• 5.2 关于校核工况选择
• 5.3 分析路径的设置
• 5.4 改进前的热应力工况分析
• 5.5 改进前各操作工况的分析
• 5.5.1 改进前开车操作工况分析
• 5.5.2 改进前停车操作工况分析
• 5.5.3 改进前稳态操作工况分析
• 第六章 基于有限元分析对苯酐冷凝器设计的优化和改进
• 6.1 与有限元分析优化有关的改进
• 6.1.1 材质改进
• 6.1.2 管程流体温度改进
• 6.1.3 壳程冷却水温度压力改进
• 6.2 与应力腐蚀控制有关的其它配套改进措施
• 6.2.1 为降低拉应力作相应的结构改进
• 6.2.2 加强设备加工工艺及过程质量控制
• 6.2.3 优化冷却水水质
• 6.2.4 注重操作工艺管理
• 6.3 改进后热应力工况分析
• 6.4 改进后停车操作工况的校核分析
• 6.5 改进后稳态操作工况的校核分析
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录