Численное моделирование напряженно-деформированного состояния теплообменного аппарата с трубным пакетом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Численное моделирование напряженно-деформированного состояния теплообменного аппарата с трубным пакетом

В.В. Кашелкин,

В.Ю. Попов,

М.Ю. Федоров

Цель работы - обоснование прочности теплообменных аппаратов (ТА), с длительными сроками эксплуатации в условиях интенсивных механически нагрузок и неравномерного поля высоких температур. Исследуемый ТА представляет собой разветвленную конструкцию, содержащую трубный пакет. Для учета влияния на прочность и ресурс всех факторов требуется прибегать к численному эксперименту с использованием специализированных программных комплексов. В результате проведенных исследований обоснована прочность и ресурс ТА.

Прочность, теплообменный аппарат, численный эксперимент, релаксация прочность теплообменный механический

Обоснование прочности теплообменных аппаратов (ТА), с длительными сроками эксплуатации в условиях интенсивных механически нагрузок и неравномерного поля температур является весьма сложной инженерной задачей, которую необходимо решать с применением различных методов.

В случае, когда теплообменный аппарат содержит трубный пакет, для учета влияния на напряженно-деформированное состояние всех элементов разветвленной конструкции, аналитических методов будет недостаточно и требуется прибегать к численному эксперименту.

1. Описание конструкции

Конструкция ТА представляет собой набор состыкованных друг с другом цилиндрических оболочек, соединенных между собой сваркой, внутреннее пространство ТА содержит трубный пакет (ТП) - набор трубок, закрепленных на трубных досках. Трубки пакета связаны с трубными досками сваркой.

Конструкция находится под действием перепадов давления в различных полостях и под действием полей высоких температур, распределенных по определенному закону, как по длине конструкции, так и в радиальном направлении.

Все элементы конструкции ТА выполнены из стали 12Х 18Н 10Т.

2. Расчетная схема и конечно-элементная модель

На рисунке 1 приведена расчетная схема, созданная в программном комплексе КИПР. Область соединения трубок с трубной доской (на рисунке 1 увеличено), в ранних версиях расчетной модели, формировалась без учета расположенного там сварного шва так называемого "усикового типа" (тип С 10 ОСТ-5.9783-79).

На рисунке 2 приведена уточненная расчетная модель, в которой сварной шов уже учтен, однако только для центральной трубки, что определяется особенностями программного комплекса.

На рисунке 3 приведена плоская расчетная схема теплообменного аппарата. Область соединения трубок с трубной доской показана увеличено.

Объемная модель конструкции приведена на рисунке 4а, где также выделена область сварного соединения трубок и трубной доски. Т.к. конструкция осесимметричная, то для уменьшения времени счета необходимо использовать лишь ее часть, наложив граничные условия, учитывающие симметрию. Чтобы сохранить наглядность представления результатов расчет проводится для ј части конструкции. На рисунке 4б показана конечно-элементная модель.

3. Результаты расчетов

Результаты расчетов показали, что моделирование ТО без учета "усиковых" сварных швов (рисунок 1) не корректно т.к. результаты расчета с использованием схемы, учитывающей наличие сварного шва (рисунок 2), показали возникновение в сварном шве центральной трубки напряжений порядка 200 МПа.

Исследование напряженного состояния конструкции с применением МКЭ (рисунки 3 - 5) при моделировании сварных швов каждой из трубок показал, что наибольшие напряжения порядка 215 МПа (рисунок_5а) в конструкции возникают в сварных швах внешнего ряда трубок. Это говорит о корректности применения комплекса КИПР только для исследования НДС основной конструкции корпуса теплообменного аппарата.

Высокие напряжения 210 МПа, превышающие значения предела длительной прочности МПа, возникают в линзовом компенсаторе температурных перемещений, установленном между наружным корпусом и трубным пакетом теплообменного аппарата - рисунок 5б. В силу этого для обоснования прочности и ресурса конструкции потребовалось исследование релаксации напряжений.

Рисунок 1 - Расчетная схема корпуса теплообменного аппарата

Рисунок 2 - Расчетная схема корпуса теплообменного аппарата

Рисунок 3 - Расчетная схема половины корпуса теплообменного аппарата

4. Результаты расчетных исследований релаксации

Для расчета процесса релаксации использовано уравнение установившейся ползучести в форме, предложенной С.А. Шестериковым и М.А. Юмашевой [4]:

(1)

ЗначениеМПа было выбрано по [1].

Коэффициенты A= и n= получены в результате обработки результатов испытаний на ползучесть стали 12Х 18Н 10Т.

На основе соотношения (1) получено уравнение релаксации:

 (2)

Уравнение (2) для категории нормальных напряжений используется для построения кривой релаксации.

Подставив в уравнение (2) приведенные выше константы можно получить решение для напряжений, возникающих в наиболее нагуженных зонах конструкции. Для начальной величины напряжений у = 215 МПа кривая релаксации представлена на рисунке 6.

Из рисунка 6 видно, что напряжения релаксируют до значения, не превышающего предел длительной прочности МПа за время менее 1000 часов.

Заключение

В результате численных экспериментов с использованием МКЭ, было выявлено, что наиболее нагруженными с точки зрения длительной прочности, является компенсатор температурных перемещений, установленный между наружным корпусом и трубным пакетом теплообменного аппарата, а также сварные швы внешнего ряда трубок.

Полученное уравнение релаксации и построенные кривые релаксации, позволили показать, что напряжения в конструкции релаксируют в течение сравнительно короткого времени до допустимых значений. Таким образом, длительная прочность конструкции и ее ресурс обеспечены.

Список литературы

1. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) /Госатомнадзор СССР. -М.: Энергоатомиздат,1989.-525 с - (Правила и нормы в атомной энергетике).

2. Метод конечных элементов в технике / О.Зенкевич - перевод с английского под ред. Б.Е. Победри, издательство "Мир", Москва, 1975.

3. Применение метода конечных элементов / Л.Сегерлинд, перевод с англ. А.А. Шестакова, под ред. Б.Е. Победри, издательство "Мир", Москва, 1979.

4. Конкретизация уравнения состояния в теории ползучести / Шестериков С.А., Юмашева М.А., // Механика твердого тела. 1984, №1, с.86-91.

5. Исследования работоспособности механизма сброса стержня безопасности космической ядерной энергетической установки в условиях высокотемпературной ползучести. "Методы и программное обеспечение расчетов на прочность" 7-я российская конференция (8-12 октября 2012 г.; Геленджик): сборник докладов. - М.: ОАО "НИКИЭТ", 2013. - 232 с.

Размещено на Allbest.ru