固定管板式換熱器管板的有限元分析

陳慕天，謝禹鈞，張芳瑤

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

固定管板式換熱器管板的有限元分析

陳慕天，謝禹鈞，張芳瑤

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì)固定管板式換熱器管板進(jìn)行應(yīng)力分析，得到管程壓力，殼程壓力和熱載荷三個(gè)不同工況組合下管板的應(yīng)力，并根據(jù) JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。分析結(jié)果表明，管板的強(qiáng)度滿足要求，此文的研究方法為同類型換熱器安全評(píng)估提供了參考。

換熱器；ANSYS；管板；強(qiáng)度評(píng)定

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要，同時(shí)也提高能源利用率的主要設(shè)備。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。我國換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用 GB151，但隨著設(shè)備的大型化及操作的參數(shù)化，不斷出現(xiàn)超標(biāo)的換熱器。對(duì)于這些設(shè)備可參照J(rèn)B4732-1995 利用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算并評(píng)定。

由于殼層流體與管內(nèi)流體有溫度差，所以換熱器中必定存在溫差應(yīng)力，這種溫差應(yīng)力會(huì)與換熱器流體壓力造成的機(jī)械應(yīng)力相疊加。當(dāng)疊加應(yīng)力較高時(shí)會(huì)在換熱器的高危部位造成不同形式的失效，例如管子的穩(wěn)定性或強(qiáng)度破壞、殼體穩(wěn)定性或強(qiáng)度破壞、、拉脫等。溫差太大時(shí)還要考慮使用膨脹節(jié)。因此換熱器應(yīng)力分析應(yīng)包括不同危險(xiǎn)工況并對(duì)不同部位進(jìn)行分析與評(píng)定才能保證其安全可靠的運(yùn)行[1]。個(gè)部分。換熱器殼程筒體內(nèi)直徑為Φ806 mm，計(jì)算壁厚為 17 mm；管箱筒體內(nèi)直徑Φ803 mm，計(jì)算壁厚 18.5 mm；換熱管呈三角形布置，管間距 38 mm，外直徑 25 mm，厚度為 2.5 mm，長(zhǎng)度 5 000 mm；管板為帶凸肩的整鍛件，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示[2]。

圖 1 管板凸肩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structural diagram of the tube-sheet shoulder

1.2 材料的特性

假設(shè)換熱器結(jié)構(gòu)中各個(gè)元件的材料均為線彈性材料，其材料屬性參數(shù)參見表1。

表 1 各部分材料屬性Table 1 Material properties of each component

1 換熱器的尺寸與參數(shù)

1.1 換熱器的結(jié)構(gòu)與尺寸

換熱器模型只考慮管板，殼體、管束和管箱四

2 有限元分析模型

2.1 實(shí)體模型

由于主要討論管板及其與兩端筒體連接處的應(yīng)力分布規(guī)律，所以忽略開孔接管、封箱接頭及支座等?？紤]到結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，沿?fù)Q熱器縱向?qū)ΨQ面切開取其 1/4 作為分析模型。結(jié)構(gòu)縱向?qū)ΨQ面約束了法向位移，殼程筒體橫截面約束了軸向位移，管箱筒體斷面施加相應(yīng)的軸向平衡力。與管板連接的筒體，根據(jù)圣維南原理，只需要考慮長(zhǎng)度L=2.5（R是筒體的平均半徑，t是該筒體的厚度）一段，就可以消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對(duì)管板處應(yīng)力分布的影響[3]。取其長(zhǎng)度為 300 mm 的筒體進(jìn)入計(jì)算模型。在本論文機(jī)械應(yīng)力分析單元中，輔助建模單元采用 Shell63 模型（能夠節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度），應(yīng)力分析采用 Solid45 模型。管板模型見圖 2 所示。

圖 2 管板有限元模型圖Fig.2 Finite element model diagram of the tube-sheet shoulder

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在有限元分析中有十分重要的地位，決定著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與運(yùn)算過程的快慢，本文在劃分網(wǎng)格時(shí)采用 Solid45 的單元類型，應(yīng)運(yùn)掃掠方式進(jìn)行分網(wǎng)，在管板與筒體連接處以及與換熱管接觸處細(xì)化網(wǎng)格，提高計(jì)算精度。其他部位采用大網(wǎng)格，節(jié)省運(yùn)算的時(shí)間[4]。模型網(wǎng)格劃分如圖 3 所示。共有 85 964 個(gè)單元，181 548 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 載荷與邊界條件

模型的載荷數(shù)據(jù)非常重要，這些載荷在換熱器工作時(shí)會(huì)對(duì)其各個(gè)部分產(chǎn)生應(yīng)力影響。由于管板所接觸的兩相流體溫度不一樣，會(huì)有熱應(yīng)力存在。管殼程的壓力也會(huì)在管板、殼體和管箱中造成一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，這些壓力和溫度決定了換熱器的工作狀況[4]。本文主要考慮三種載荷，分別是管程壓力，殼程壓力，溫度載荷。管程中的流體是工藝介質(zhì)，壓力為 2 MPa；殼程中的流體是水介質(zhì)，壓力為 0.6 MPa。

圖 3 模型的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of the model

3 結(jié)果分析以及應(yīng)力評(píng)定

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

當(dāng)管殼程壓力同時(shí)作用時(shí)整體的應(yīng)力云圖如圖4所示，可見最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在管板鍛件的管程側(cè)過渡圓角處，由此看出在壓力作用下在結(jié)果的不連續(xù)處會(huì)有很大的應(yīng)力產(chǎn)生，這種高應(yīng)力狀態(tài)范圍不是很大，只是存在于很短的一段距離內(nèi)，應(yīng)力由最高值向兩邊逐漸減小。應(yīng)力最大值為 84 MPa。其他可能出現(xiàn)較大應(yīng)力的位置是管板鍛件的殼程側(cè)過渡圓角處和管板的主體位置上，應(yīng)力最大值為 42 MPa。由于管程壓力和殼程壓力在換熱管上所產(chǎn)生的軸向力是反向的，所以在圖中藍(lán)色區(qū)域可以看到換熱管的應(yīng)力值非常低，只是在管板和換熱管連接的部分稍高一點(diǎn)，這是因?yàn)橛袘?yīng)力集中的作用。

圖 4 管殼程壓力同時(shí)作用時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.4 Stress intensity cloud under the tube side and shell side pressure simultaneously applied

3.2 應(yīng)力評(píng)定

為了對(duì)換熱器管板的安全性能作出評(píng)定，需找出管板的危險(xiǎn)截面。如圖所示選取管板上應(yīng)力集中的地方作為應(yīng)力評(píng)定的路徑，即選取管板與管箱的過渡圓角處作為 path1；管板與殼體的過渡圓角處為path2；管板上開孔為 path3，作為應(yīng)力評(píng)定路徑。path1 和 path2 以內(nèi)壁為起點(diǎn)，path3 以管程側(cè)表面為起點(diǎn)。如圖 5 所示[5]。

圖 5 應(yīng)力評(píng)定路徑Fig.5 The stress evaluation path

換熱器工作時(shí)可能會(huì)存在以下的工況：考慮溫差應(yīng)力和不考慮溫差應(yīng)力，管程與殼程壓力同時(shí)作用與單獨(dú)作用等等。按照上述有限元方法與分析過程，對(duì)上述各種工況組合分別進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)該值得注意的是 ANSYS 所提供的分析結(jié)果雖給出了峰值應(yīng)力，彎曲應(yīng)力，薄膜應(yīng)力及總應(yīng)力等，但這些僅僅是線性化的結(jié)果，用于分析設(shè)計(jì)的應(yīng)力評(píng)定時(shí)還必須根據(jù)結(jié)構(gòu)部位與載荷的性質(zhì)，參照 JB4732-95確定某項(xiàng)應(yīng)力強(qiáng)度具體屬于哪一類應(yīng)力強(qiáng)度[6]。按照上文所確定的評(píng)定路徑對(duì)每一個(gè)工況下的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，其結(jié)果如表2所示。

4 結(jié) 語

利用有限元軟件 ANSYS 對(duì)換熱器管板進(jìn)行應(yīng)力分析，不僅快捷方便，而且精度高。根據(jù)壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) JB4732-95 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定，其計(jì)算結(jié)果表明換熱器上各部件鈞滿足校核條件，且安全系數(shù)大于 1.23，所以本次評(píng)估的換熱器安全可靠，為同類型換熱器安全評(píng)估提供了參考。

表 2 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果Table 2 Stress evaluation results

［1］李子林，盛斌，臧國強(qiáng)．固定管板式換熱器有限元分析及應(yīng)力評(píng)定[J] .化工裝備技術(shù),2013，34(1)：34-37.

［2］胡巖，孫中寧.折流板結(jié)構(gòu)對(duì)管殼式換熱器殼程流動(dòng)與傳熱的影響[J].應(yīng)用科技，2007，9（30）：14-18

［3］陳滿儒，孫文迪．基于 ANSYS 的固定管板式換熱器的熱應(yīng)力分析及評(píng)定[J] .中國制造業(yè)信息化，2011，40(5)：45-48．

［4］劉天豐，非對(duì)稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)中的問題研究[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

［5］劉俊明，陳緒．高壓厚管板的有限元分析計(jì)算[J].壓力容器，1997，14(2)：25-29．

［6］吳德勝，薛明德.固定管板式換熱器溫度場(chǎng)的分析方法[J].核動(dòng)力工程，1998(10)：402-407．

［7］全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB151-1999,管殼式換熱器 [S].

［8］全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB4732-95,鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Finite Element Analysis of the Tube Sheet in a Fixed Tube Sheet Heat Exchanger

CHEN Mu-Tian，XIE Yu-jun，ZHANG fang-yao
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The stress of tube-sheet heat exchanger was analyzed by using the ANASYS software, the stresses of tube-sheet under three different load conditions of tube side pressure, shell pressure and thermal load were obtained, respectively. According to the JB4732-95 Steel pressure vessels-the standard of analysis design, the strength of the dangerous sections was assessed. The analysis results indicated that the intensity requirement of the tube-sheet was satisfied. The paper can provide the reference for the safety assessment of the heat exchanger in service.

Heat exchanger; ANSYS; Tube-sheet; Strength assessment

TQ 050

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1227-03

2013-11-19

陳慕天（1989-），男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：設(shè)備安全。E-mail：cmtupup@163.com。

謝禹鈞（1960-），男，教授，博士研究生，研究方向：壓力容器與管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析及剩余壽命評(píng)估。