ASME Section Ⅲ Stress Analysis of a Heat Exchanger Tubesheet with a Misdrilled Hole and Irregular or Thin Ligaments

A stress analysis is described for a nuclear steam generator tubesheet with a thin, or irregular ligament, associated with a mis-drilled hole using the rules of ASME （American Society of Mechanical Engineers） B ＆ PV Section Ⅲ and non-mandatory Appendix A, Article A-8000 for stresses in perforated flat plates. The analysis demonstrates the proper application of the NB-3200 rules for this special application, with discussion of the differences between an actual tube hole deviation and what is assumed in ASME Appendix A. This is a companion paper to ＂Technical Justification Supporting Operation with a Tube Installed in a Mis-Drilled Hole of a Steam Generator Tubesheet＂.

高压液氨预热器管板环焊缝主副加热局部热处理

管板环焊缝局部热处理是影响高压液氨预热器服役安全的关键制造技术,传统局部热处理时温度分布不均匀、管板约束大,导致残余应力难以消除。对此,采用主副加热局部热处理方法,并验证该方法在高压液氨预热器局部热处理时的有效性。计算与测试结果表明,传统局部热处理仅可降低外表面的轴向和环向残余应力,而内表面轴向应力会略微增大,环向应力降幅较小;主副加热局部热处理使内表面轴向应力由283 MPa降低至100 MPa以下,降幅约64%,环向应力由324 MPa降低至206 MPa,降幅约37%,显著降低了设备内表面应力腐蚀开裂的敏感性。

非圆区域布管再生气冷凝器有限元应力分析

某冷再生气冷凝器换热管布管区域呈现非圆形,与ASMEⅧ-1换热器设计方法UHX采用的轴对称力学模型不相符合,需要采用有限元方法进行进一步的校核。分析结果表明换热器管板和管束应力分布并不均匀,但仍能通过强度校核。

发夹式换热器管板的应力分析与强度评定

应用ANSYS有限元分析软件,考虑压力载荷和温度载荷对管板整体应力分布的影响,采用顺序耦合法对发夹式循环冷却器的热端管板在7种工况下进行有限元应力分析。结果表明:在压力载荷与温度载荷共同作用下,管板最大等效应力为329.9 MPa,位于布管区内换热管与管板连接处。壳程先停工况下管板的最大等效应力值最大值为332.5 MPa,是发夹式循环冷却器管板的最危险工况。在对管板上最大等效应力处进行当量线性化处理,结合分析设计标准进行强度评定,评定结果均合格。

带蒸发空间的废热锅炉挠性管板设计的探讨

废热锅炉是利用工业生产过程中的余热生产饱和蒸汽的换热器。废热锅炉的结构通常可分为壳程自带蒸发空间和顶部设计汽包两种形式。废热锅炉的设计总体采用常规设计方法,挠性管板采用应力分析设计方法进行局部应力分析。本文依据《石油化工管壳式余热锅炉》(SH/T 3158—2009)对一台带蒸发空间的废热锅炉的挠性管板进行设计计算并采用有限元分析软件ANSYS对该废热锅炉挠性管板进行应力分析,分析中,对三个危险截面划路径,进行应力线性化处理和强度评定,结果表明,当挠性管板厚度取根据SH/T 3158—2009设计厚度圆整值时,挠性管板应力评定不合格。增加管板厚度后,重新对两种工况下的管板进行应力分析,结论合格。通过计算分析对比,建议对带蒸发空间的废热锅炉的挠性管板进行设计时,应采用有限元分析对挠性管板进行设计,以保证废热锅炉的安全稳定运行。

复合板固定管板热交换器设计中的几点探讨

复合板固定管板热交换器兼具高强度和耐腐蚀优点,在诸多行业中得到广泛应用。对复合板固定管板热交换器设计中的若干问题,如涉及复合管板相关事项、计算输入的简化及管孔结构的选择等进行了分析和探讨,论证了换热管承受轴向压应力时爆炸复合管板应用的可行性,点明了复合管板与换热管焊接连接拉脱应力计算中材料许用应力的取值误区,给出了SW6软件中壳程复层厚度的简化输入方式,阐明了复合管板与换热管连接方式的选择细节。可为复合板固定管板热交换器的设计提供有益参考。

换热器管板胀接接头开槽结构的模拟与试验研究

为增强换热器管板胀接接头在常温下的抗拉强度,通过有限元分析和试验验证,开发一种具有阶梯型开槽结构的管板接头。建立不开槽、标准开槽和阶梯开槽的三种胀接接头的理论分析模型,利用弹塑性理论进行胀接过程和接头拉脱过程的有限元模拟,探究不同开槽形式的胀接接头处的拉脱破坏形式,并且对三种胀接接头开展常温下的拉脱试验,得出不同开槽形式的胀接接头的拉脱力。结果表明:开槽结构的胀接接头的拉脱力明显高于不开槽结构的胀接接头,并且阶梯槽胀接接头的拉脱力最大。阶梯槽胀接接头在拉脱过程中会出现“驼峰形”的陡坡,拉脱难度更大。胀接接头在开槽位置形成多条较宽的高应力残存环带,这些高应力残存环带是保证开槽接头密封性和抗拉脱力的关键因素。

液压胀接残余接触压力计算及相关参数影响分析

胀接压力适宜控制范围的确定,关键在于准确计算胀接后换热管与管板间的残余接触压力。现有残余接触压力理论计算方法忽视换热管反向屈服问题,导致残余接触压力计算值与实际不符。文中基于材料理想弹塑性和平面应变假设,给出了Mises屈服准则下胀接残余接触压力理论计算方法详细推导过程,讨论分析了换热管弹性模量、屈服强度、壁厚等变化对残余接触压力的影响,该方法可适用于先焊后胀胀接工艺下胀接残余接触压力预测。

壳程压力载荷下挠性管板扳边应力分类及评定

挠性管板扳边应力比布管区应力大得多,在管板设计计算中应重点考虑。GB/T 16508—2013 《锅壳锅炉》和SH/T 3158—2009 《石油化工管壳式余热锅炉》仅给出了挠性管板扳边结构设计的指导意见和适用范围,没有给出扳边部位的强度计算方法。有关挠性管板应力分析的文献也未给出只考虑压力载荷作用下扳边应力的分类和评定。以1台火管锅壳锅炉为例,对其变形进行分析,建立了5个扳边应力计算有限元模型,研究了在只承受壳程压力载荷下,挠性管板扳边的应力分类和评定。结果认为,挠性管板扳边应力为典型的二次应力,其薄膜应力加弯曲应力应按二次应力进行评定。

JB 4732—1995附录Ⅰ浮头式换热器管板计算方法探讨

JB 4732—1995附录Ⅰ浮头式换热器管板计算方法未考虑筒体边缘附加弯矩,有待完善。通过对浮头式换热器管板计算方法进行推算,给出了相应的改进计算式,并对JB 4732—1995未计入筒体边缘附加弯矩对b型、c型、d型3种结构管板计算结果的影响进行了讨论分析。结果表明,不计入筒体边缘附加弯矩,在某些工况下可能会导致管板计算结果不够安全,应对JB 4732—1995附录Ⅰ浮头式换热器管板计算方法进行改进。

不完全布管对浮头换热器管板弯曲应力和换热管轴向应力的影响

针对当前工程设计中均假设管板完全布管、对不完全布管的实际管板系统的设计计算缺乏研究的问题,采用数值分析方法对比分析了浮头式换热器不同布管情况、不同计算工况下,不完全布管对管板径向弯曲应力、换热管轴向应力以及管板周边偏转不均匀的影响。结果表明,不完全布管将恶化管板弯曲应力和换热管轴向应力,设计时尽量采取完全布管方式,如果基于当前标准中的完全布管的轴对称力学模型进行不完全布管计算,应适当留取安全裕量。

脉动载荷下换热器管板接头塑性失效研究

管板接头是换热器常见失效部位,其中交替塑性失效模式缺乏研究。基于材料的多线性等向强化(MISO)本构模型,对U型管式换热器角焊缝管板接头和新型内孔焊管板接头进行了弹塑性数值模拟。通过提取管板管桥中心及管板管孔附近区域的节点的应力及应变数据,得到了在脉动递增载荷下的双向应力和应变规律。结果表明,在脉动载荷的递增加载与卸载过程中,两管板接头的残余应力与残余应变存在差异;随着脉动幅值的递增,塑性应变不断累积,为防止结构最终发生塑性失效,需对应变进行合理控制。通过分析发现管接头内缘处是较容易发生交替塑性失效的部位,在对换热器管板接头失效分析时,应重视载荷历程和焊接接头形式对管板的影响。

双金属复合换热管与固定管板换热器整体热处理工艺

为研究双金属复合换热管与固定管板产品管束整体热处理工艺及其技术难点。首先,通过计算壳体与换热管在50℃和100℃温差下的温差应力,得出结果,升温阶段在500℃以下时,换热管与壳体的温差应≤100℃;降温阶段在400~500℃时,换热管与壳体的温差应≤50℃,在400℃以下时,换热管与壳体的温差应≤100℃。根据试验数据、相关标准及前期产品热处理经验制定了合适的热处理工艺参数。通过沿产品管束圆周方向及其中心位置换热管内部2.5 m深度处布置热电偶,同时在两侧管板外侧及沿壳体长度方向中间位置布置热电偶进行实时测控温度,使产品管束在整个热处理过程中各测温点的温度得到有效的控制,最终成功对该产品管束进行了炉内整体热处理。

TA2管子管板自动TIG焊工艺研究

采用自动TIG焊对TA2管子管板进行试验,通过焊前清理、焊接工装、坡口形式、焊接参数、焊接顺序、焊后无损检测、宏观检测及力学性能等试验,对焊接接头进行研究,结果表明:焊前使用无水乙醇对换热管与管板焊接区域及周围母材进行清理;焊接时使用大直径喷嘴进行保护,同时结合气体保护工装对换热管内部进行保护;采用J型坡口可保证焊接接头根部良好熔合;在保证根部充分熔合的情况下,使用小电流焊接参数进行焊接;焊接时在周围换热管内部插入冷却工装,采用跳焊的焊接方式进行焊接;通过上述措施可保证TA2管子管板焊接接头质量,可用于产品生产制造。

管板设计统一理论(3)——重力及压降的影响

基于管板设计统一理论,系统分析了重力及流体压降的影响并检验了现有简化理论的结论,澄清了诸多含糊不清的观点。数值计算对比分析表明,统一理论对于不同换热器的预测结果与有限元分析结果符合得非常好。统一理论为薄管板及大直径管板换热器的工程设计提供了坚实的理论依据。

N06200镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究

采用氩弧焊丝ERNiCrMo-17对换热管(材料为SB-622 N06200)与管板(材料为SB-564 N06200)进行焊接试验。针对此材料的管-板焊接进行焊接工艺研究,通过金相组织观察、角焊缝厚度测量、拉脱力试验、晶间腐蚀试验对N06200镍基合金管板与换热管焊接接头进行分析。结果表明:采用第1层自熔+2层填丝所获得的管-板焊接接头成形良好,焊道均匀饱满;接头的角焊缝厚度均满足标准要求的1.2 mm,接头的拉脱力和晶间腐蚀率均高于管板和换热管母材;接头焊缝组织为胞状晶、柱状树枝晶和等轴晶奥氏体组织,枝晶生长方向随机,等轴晶可抑制热裂纹的产生;接头焊缝区域硬度明显高于其他区域,硬度曲线呈“跳跃”特征。

工作温度对换热管与管板胀接接头性能的影响

为验证胀接接头在经历实际运行的反复受热和冷却后的性能变化,对10#+Q345R同类材质、S30403+Q345R异种材质的换热管与管板接头分别进行机械胀和液压胀,每组试件采用相同胀力或相近胀度,对比热振前后的密封性及拉脱应力。为验证10#+Q345R同类材质换热管与管板液压贴胀接头在实际运行的高温下性能是否会下降,试件采用相同胀力胀接,对比室温、100,200,300℃下的拉脱应力。结果表明,工作温度确实会对胀接接头的性能产生不同程度的影响,换热管与管板接头的胀接应依据设备特性及两种胀接方法的优缺点,选择最优的胀接工艺。

核电蒸汽发生器管板制造过程中的质量控制

以华龙一号堆型蒸汽发生器管板为例,结合应对恶劣运行环境的要求,探讨超大厚饼类部件的制造难点及质量监督控制要点。通过前期制造工艺评定固化工艺、产品制造初期原材料质量控制以及制造阶段各关键工序的过程跟踪检查,确保按既定工艺制造出安全可靠、满足设计及核安全要求的部件。

VVER技术常规岛高压加热器管板的计算方法探讨

通过引入分析设计的方法,以解决高压加热器管板因结构特殊而规则设计方法不适用的问题。通过实际工程应用对计算方法进行了简要介绍,并对各种方法之间存在的差异进行了阐述,对后续的压力容器工程设计有一定的参考价值。

焊后混合胀工艺试验及应用

在某高压管壳式换热器建造过程中,管板与换热管连接采用了焊后混合胀工艺,即先焊后胀,胀接采用液压胀加机械胀的混合胀工艺。液压胀具有柔性胀接方法的应力均匀、抗应力腐蚀强和易于胀入孔槽等特点,而机械胀能够保证所要求的胀度和消除液压胀残余的轴向应力。胀接工艺试验通过耐压循环试验、氦检漏试验以及拉脱力试验等验证合格,最终用于产品证明该工艺满足换热器的技术要求。