摘 要

锅炉管板是锅炉的主要受压元件，不仅承受机械载荷，还承受较大的温度载荷，因此锅炉管板宜采用挠性结构。锅炉管板若按照常规设计规范进行设计则有较多限制，而采用有限元分析法可以有效避免上述限制。本论文利用有限元ANSYS软件对锅炉管板结构进行应力计算及强度校核，并对管板结构温度场及应力场进行分析讨论。

考虑到模型，本论文建立1/4模型，考虑两种工况，工况一为只有壳程压力作用，工况二为壳程压力及温度一起作用。首先论文对管板温度场分析。然后通过对机械应力和温度-应力耦合分析，对各部件进行应力强度进行评定，各元件评定结果都为合格。具体有限元分析结论如下：

1. 温度场分析表明，在管板壳程侧，只沿管板厚度很小的一部分温度接近壳程流体温度；而管板管程侧，沿管板厚度方向很大一部分温度都接近于管程出口流体温度。验证了ASME中的表皮效应理论。
2. 热应力场分析表明，管板壳程侧管板与换热管连接处为应力最大位置，而管板上最大温度分布在管板管程侧表面，所以温度最高的位置，应力强度不一定最高。
3. 机械场和温度应力耦合场的分析表明，温度载荷对于机械场的影响非常大。经线性化处理发现，温度载荷对于管板弯曲应力影响较大，而管板圆弧过渡区受温度影响最大。

本论文研究内容及研究结论对于锅炉管板结构设计分析具有指导作用。

关键词：锅炉管板；有限元分析；耦合场；温度

Finite Element Analysis and Design of Boiler Tube Plate

ABSTRACT

The boiler tubesheet is the main component of the boiler,which not only bears the mechanical load, but also bears temperature load. Therefore flexible structure is perferable to the boiler tubesheet. If the boiler tubesheet is designed due to the conventional design criterion, there exists many limitations while the finite element analysis method can effectively avoid them. In this dissertation, the finite element ANSYS software was used to calculate the stress and check the strength of the boiler tubesheet structure, the temperature field and the stress filed of the tubesheet structure were analyzed and discussed.

Considering of the symmetry of the model structure and load, 1/4 symmetric model was established. Two working conditions was considered in this dissertation, namely, only shell-side pressure, and shell-side pressure and temperature load at the same time. Firstly, the temperature field of tubesheet was analyzed. Then through the analysis of mechanical stress and the coupling of temperature and stress, the stress intensity of each component was assessed, and the assessment results of each component were qualified. The concrete conclusions of the finite element analysis are as follows:

(1) The analysis of temperature field shows that only a small part of the thickness of the tube sheet is close to the fluid temperature of the shell side, while a large part of the temperature along the thickness of the tube sheet is close to the fluid temperature at the outlet of the tube side. The theory of epidermal effect in ASME is verified.

(2) Thermal stress field analysis shows that the maximum stress distributes on the upper surface of the tubesheet, while the maximum temperature distributes on the side surface of tube sheet, so the stress intensity is not necessarily the highest at the highest temperature.

(3) The analysis of mechanical field and temperature-stress coupling field illustrates that the temperature load has a great impact on mechanical field. The linearization treatment shows that the temperature load has a great influence on the bending stress of the tubesheet, and the arc transition zone of the tubesheet is most affected by the temperature.

The content and the conclusions of this dissertation play a guilding role in the structure of boiler tubesheet.

Key words: the boiler tube sheet ; finite element analysis ; coupled field ; temperature

目录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

第二章 锅炉管板研究进展 2

2.1管板结构设计方法 2

2.2对于挠性薄管板的研究进展 3

2.2.1挠性薄管板结构分析 3

2.2.2挠性薄管板计算方法及其简化 4

2.3总结 5

第三章 管板有限元模型的建立 7

3.1有限元ANSYS软件介绍 7

3.2锅炉管板基本参数 7

3.2.1几何结构尺寸 7

3.2.2设计参数 9

3.2.3材料特性 9

3.3ANSYS有限元建模 9

3.3.1模型简化 10

3.3.2模型单元类型 10

3.3.3 ANSYS有限元建模 10

3.3.4网格无关性验证 13

3.4载荷以及边界条件 13

3.4.1温度场边界条件的确定 13

3.4.2结构应力场边界条件的确定 13

3.4.3载荷的确定 13

第四章 温度载荷对管板的影响 14

4.1管板温度场分析 14

4.2管板热应力场分析 16

第五章 机械应力及温度应力耦合对管板的影响 18

5.1 耦合场简介 18

5.2机械场和耦合场求解结果 18

5.3应力强度评定 25

5.3.1应力分类 25

5.3.1工况一下应力强度校核 25

5.3.2工况二下应力强度校核 26

5.4机械场和温度应力耦合场的比较 28

第六章 结论 33

第七章 工程项目经济性评价 34

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1引言

锅炉是一种特种设备可以满足工业生产的需求。锅炉能够实现能量的转换，它可以将输入的高温烟气等转化成为有一定热能的蒸汽。而转化后的热蒸汽又可以应用于工业制造，城市生活中。它可以为我们提供热能还可以将蒸汽能转换成机械能从而满足设备仪器的运行。近年推行来节能减排，而工业锅炉所消耗能量非常的大，所以锅炉的设计应注重节能。而且随着工业生产的各种需求近年来开发了如回程-燃油-汽锅炉、组合螺纹烟管锅炉、新型锅壳锅炉等[1]。

锅炉在设计中管板起着支撑固定的作用，而且它又分隔热流体以及冷流体，所以承受较大的热应力以及流体对换热管等施加的力，因此受力很复杂，极其容易产生事故。比如，管板水循环不良，换热管和管板没有先胀后焊等造成锅炉发生角焊缝撕裂以及孔桥断裂。管板承受很大的热应力，热疲劳和高温汽的腐蚀所以进口侧一般采用非金属隔热层的保护[2]。管板受力非常复杂，各个国家有各自的管板规范的设计，如中国GB151的规范、美国ASME的规范、德国的AD规范、苏联标准等等[3]。

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