基于ANSYS的受热设备全过程模拟计算

姜 垠

（湖南汉华京电清洁能源科技有限公司，湖南湘潭 411100）

加热设备是化工设备中一种主要设备，对于加热类设备，设备设计人员常见做法就是考虑材料、压力、温度是否匹配并给出计算壁厚作为设备设计的主要参数。引用GB/T150-2011计算壁厚的计算公式可以发现：在符合壁厚公式计算条件下，设备的壁厚只与具体的某几个设计参数相关，公式并没有考虑到设备具体可能产生的受热情况、时间及加热方式等一系列的中间过程。这就要求设计人员在进行设备设计时均充分了解设备可能的运行工况以及特殊工况并在设计时考虑其影响。

本文基于ANSYS软件建立设备结构模型，通过实例描述受热设备中间过程给设备造成失效的影响，以此来提醒设备设计人员在设计过程中应考虑设备全部可能的运行工况。

1 工况描述

如图1 中所示，某实验装置为套管式结构，外部缠绕电加热元件进行加热，保证内管内物料在实验过程中恒温320℃，内管与外管之间为保证内管加热均匀设置一惰性气体层密闭于环隙中。

图1 实验装置简图

整个实验过程中，每天操作一次，在外部电加热器（功率 600W）作用下，内筒升到 320℃，保温一定的时间，然后冷却至室温，如此重复操作20个月（循环次数并未达到JB4732-1995标准中限定的1 000次）。如直接引用GB/T150壁厚计算公式，上图中的壁厚完全能够保证强度，但进行具体加热分析时根据实际情况考虑疲劳将会是完全相反的结果。

本报告采用有限元应力分析的方法对实验装置参照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》、ASME VIII.2 Ed 2015 中相关章节进行分析。

内外套管的材料均为GB/T14976标准的S31603管材，其在设计温度下的许用应力取自 GB/T150.1，其值为：Stm=84MPa。考虑到装置承受交替加热的循环载荷，故考虑以下两种分析。

1.1 强度分析

考虑结构在内压、温差载荷作用下的强度是否满足标准的要求；按JB4732-1995中相关章节要求，对于考虑温度载荷作用下，其一次加二次应力的许用极限为 3Stm（=3×84=252MPa）；在进行该项分析时，主要考察结构是否满足本项要求。

1.2 疲劳分析

外夹套外表面在加热器多次加热下，判断结构是否处于安定状态及多次循环状态下是否会有不可控的塑性应变增量。

从“1）强度分析”可知，由于内管与外管有着近 200℃的温差，会在外管与内管垫板的角焊缝处由于热膨胀差引起较大的温差应力，该应力是交变的，由于该处的操作温度已经超过JB 4732中不锈钢材料的疲劳曲线适用范围，故参照ASME VIII.2 中相关章节，对该处进行安定性判定。在进行此分析过程中，材料本构采用 Ramberg-Osgood 模型，考察4个操作循环内，外夹套管与垫板焊趾处的应力、塑性应变，并参照 ASME VIII.2进行评定。

2 几何模型

如图2所示，由于该实验装置为轴对结构，考虑到对称性，采用轴对称模型对其建立有限元模型并进行应力分析。

图2 轴对称模型

3 单元划分

如图3所示，采用PLANE182单元对模型进行网格划分，在端部外夹套与内筒的连接垫板处对网格进行细化。

图3 模型单元网格划分

4 边界及加载

4.1 温度场分析

如图4 所示，进行温度场分析时，加载边界：

（1）内管内表面施加对流边界：由于有少量的气体流动，该处表面施加对流给热膜系数；

（2）外夹套外表面与电加热器紧密贴合，输入热流功率：600W；

（3）夹层内气体由于无流动，不考虑对流传热，仅考虑热辐射，施加辐射边界。

图4 温度场分析边界及加载

4.2 应力场分析

4.2.1 边界

（1）套管下表面限制其轴向位移为 0；

（2）套管盖板与轴线重合处限制其径向位移为 0；

4.2.2 加载

（1）内管内表面物料操作状态下的压力；

（2）夹层内腔操作状态下的压力。

图5 应力场分析边界与加载

5 有限元分析结果

5.1 强度分析

静态温度场温度分布云图如图6 中所示。可以看出在外加热器作用下，内筒可以获得稳定的320℃实验条件。

图6 静态温度场温度分布云图

如图7所示，在温度场及内压同时作用下，套管处最大应力强度点出现在外套管与内管垫板连接焊缝的焊趾处，从该处取应力线性化处理路径进行应力线性化处理，可以得到沿着焊脚最短路径下的各项应力强度值。

图7 应力强度分布云图

应力线性化处理路径结果见图8。

图8 应力线性化处理路径结果

5.2 疲劳强度分析

夹套管外表面按 4 个操作循环输入 600W 热流功率，可以采用软件提供的功能追踪得到内管、夹套管温度-时间变化曲线如图9所示。

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图9 内管、夹套管温度-时间变化曲线

对结构上最大应力强度点（位于外夹套管与内管垫板焊趾处）对应的节点，追踪其von-Mises 应力-时间变化曲线、塑性应变-时间、von-Mises应力-塑性应变变化曲线如图10，图11，图12中所示。

图10 内管、夹套管是最大 von-Mises 应力-时间变化曲线

图11 最大塑性应变-时间曲线

图12 von-Mises 应力-应变滞洄曲线

从图11中可以看出，每一次加卸载循环，均有新的塑性应变Δεp增量产生，同时从图12可以看出，每一次加载、卸载循环操作，其应力-应变滞洄曲线未形成闭环。

6 评定

过程分析

1）在当前操作温差作用下，结构上的过焊趾且垂直于角焊缝外表面的路径进行应力线性化处理后，得到的一次加二次应力强度pm+pb+Q=864.27MPa＞＞3Stm，表明该路径强度按JB4732中对一次加二次应力的评定是无法通过的，焊缝在长期操作状态下是不安全的。

2）结构处于非安定状态，多次加载、卸载将产生塑性应变的累积。

根据 ASME VIII.2 Ed 2015 中弹塑性分析的相关章节，如果在多次反复加载过程中，出现累积的塑性应变增量，则结构处于不安定状态，从图11和图12 可知，是不满足安定状态要求；

多次加载，在给定循环次数下焊趾处的塑性应变增量可以按下面的方法进行计算： 在多次加载、卸载情况下，其总的塑性应变累积量计算如下：

其中：

n为循环次数，每天一次加卸载计，则n=20×30=600

则在使用过程累积的总的塑性应变：

εp，total＝600×0.003 1=1.86 ＞＞ 材料的拉断伸长率！！是肯定发生破坏的。

6.2 评定结果

1）夹套管与内管垫板连接的环向角焊缝强度，在实际操作温差下，沿最短承载截面上应力超过标准许用值，强度不满足要求；

2）该角焊缝焊趾处，在多次加卸载循环下，按失效前已经使用的循环次数计算，累积的塑性应变已经大于材料的拉断伸长率（对于不锈钢通常是 ≥40%）是肯定会发生破坏的。

7 结论

1）利用ANSYS软件建立设备有限元模型，利用第三强度理论进行分析，由JB4732-1995设计标准给出强度判定。计算结果表明，在常规设计方法无法进行温度计算且无工程经验数据的情况下，应力分析法能准确模拟出设备各处的温度场，根据温度场可能产生的温差计算内筒的应力值，此时计算结果与常规设计方法计算出的结果完全相反，给出了不合格的判定。

2）考虑温差较大的情况下也有较多的循环次数，根据ASME VIII.2 Ed 2015 中弹塑性分析的相关章节对材料进行疲劳计算给出材料将会失效的判定。

3）设计人员对加热类设备进行设计时，一定要仔细研究设备可能遇到的各种工况，特别是中间过程均需给予考虑，不能只以正常运行时稳定工况进行计算而给出错误的设计。