異形管板換熱器應(yīng)力有限元分析

許進(jìn)文，巢建偉

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

管板是管殼式換熱器的主要部件之一，常規(guī)的管板設(shè)計(jì)方法是用等效無孔實(shí)心板來代替多孔管板，采用比較簡單的公式、曲線、圖表進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。由于換熱器管板結(jié)構(gòu)多樣而且受力情況復(fù)雜，采用簡化力學(xué)模型基礎(chǔ)上建立的解析計(jì)算已經(jīng)無法真正實(shí)現(xiàn)管板強(qiáng)度的有效計(jì)算，特別是一些結(jié)構(gòu)特殊的管板更是難以應(yīng)用現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)和評(píng)定[2-3]。因此在數(shù)值計(jì)算方法中尋求解決方案成為實(shí)現(xiàn)管板強(qiáng)度有效計(jì)算的途徑[4-5]。為滿足特定工藝條件要求，某項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種具有異形管板結(jié)構(gòu)的回路冷卻器，文章利用ANSYS分析軟件，對(duì)該特殊結(jié)構(gòu)換熱器的異形管板及其相應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析提供了一種思路和方法。

1 回路冷卻器結(jié)構(gòu)介紹

該回路冷卻器是一種采用方形布管的浮頭式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該換熱器固定管板采用不兼做法蘭的圓形管板，但采用了方形的布管結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)端管板為方形，其巧妙的結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的管束布置，實(shí)現(xiàn)了換熱器的高效率、大流量、大溫差、低阻力傳熱，滿足了特定的工藝要求。

圖1 回路冷卻器結(jié)構(gòu)圖

該回路冷卻器總體設(shè)計(jì)屬常規(guī)設(shè)計(jì)，可按GB150-2011《壓力容器》及GB/T151-2014《熱交換器》進(jìn)行。但其方形布管的固定管板以及方形浮動(dòng)管箱及浮動(dòng)管板的強(qiáng)度計(jì)算超出了上述國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，可采用有限元法進(jìn)行，評(píng)定方法參照J(rèn)B4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，許用應(yīng)力仍按GB150-2011中的有關(guān)規(guī)定選取。該回路冷卻器管程設(shè)計(jì)壓力2.9MPa、設(shè)計(jì)溫度-34/50℃，殼程設(shè)計(jì)壓力為4.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度均為-34/150 ℃，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 有限元分析

2.1 模型的建立

2.2 網(wǎng)格劃分

此次計(jì)算采用實(shí)體單元，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，雖然這樣的模型將使得整個(gè)有限元計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加，計(jì)算所需的計(jì)算機(jī)資源及時(shí)間也隨之大大增加，但這樣可以真實(shí)反映臭氧發(fā)生器在壓力載荷作用下的應(yīng)力特征。結(jié)構(gòu)分析采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid 45，有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

2.3 載荷與約束

方管箱、圓管箱、換熱管內(nèi)側(cè)表面和兩側(cè)管板的管程側(cè)表面受管程均布內(nèi)壓作用(2.9 MPa)；方管箱外表面、殼程側(cè)筒體、換熱管外側(cè)表面和兩側(cè)管板的殼程側(cè)表面受殼程均布內(nèi)壓作用(4.3 MPa)，在殼程側(cè)外筒體端部施加軸向平衡面載荷，圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)分布的對(duì)稱特點(diǎn)，在各對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，為防止容器整體的軸向剛體位移，令筒體上端面軸向位移為零。

2.4 工況選擇

將管程壓力載荷、殼程壓力載荷與溫度載荷等三種載荷工況進(jìn)行組合，可以得到包括開工、正常工作和停工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的七種瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作工況，如表2所示。

表2 危險(xiǎn)工況組合

由于此換熱器為浮頭式結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力可以不考慮，所以，上面的七種工況可以不考慮工作溫度的影響，下面計(jì)算主要考慮三種載荷工況：(1)只有管程壓力Pt作用；(2)只有殼程壓力Ps作用；(3)管程和殼程同時(shí)有壓力作用Pt+Ps。

3 結(jié)果分析

通過對(duì)以上三種工況的有限元分析，確定最危險(xiǎn)工況組合為管程先停的瞬間(Ps)，即殼程壓力載荷作用在筒體時(shí)為最危險(xiǎn)工況，此時(shí)，管板上的應(yīng)力最大。下面以最危險(xiǎn)工況組合給出計(jì)算結(jié)果。

3.1 總體應(yīng)力強(qiáng)度分布

換熱器上應(yīng)力強(qiáng)度分布情況如圖3所示。應(yīng)力強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在圖中管板與筒體的連接處(圖中MX標(biāo)示處)，最大值為128.869 MPa，由于該處為結(jié)構(gòu)的筒體部位，其應(yīng)力主要包含一次薄膜應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值180 MPa，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域也是安全的。

圖3 換熱器總體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.2 浮頭端管板

浮頭端管板應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖4所示。應(yīng)力強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在管板邊緣(圖中MX標(biāo)示處)區(qū)域，最大值為123.501 MPa，由于該處的幾何突變的存在，其應(yīng)力屬于含峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值可以放大3倍，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖4 浮頭端管板應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.3 浮頭管箱

浮頭管箱應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖5所示。應(yīng)力強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在方管箱筒體與蓋板連接區(qū)域，最大值為88.505 MPa，由于該處應(yīng)力包含二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值可以放大3倍，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖5 方管箱應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.4 固定管板

筒體側(cè)固定管板的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖6所示。應(yīng)力較大的區(qū)域在靠近中心附近的中心管周圍，同時(shí)在筒體與管板連接的區(qū)域也具有較高的應(yīng)力水平。兩者的應(yīng)力最大值比較接近，最大應(yīng)力為90.0742MPa，小于3倍應(yīng)力強(qiáng)度。因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖6 筒體側(cè)的管板介質(zhì)側(cè)的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.5 換熱管

圖7 換熱管的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖8 換熱管軸向應(yīng)力分布云圖

換熱管的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖7所示。應(yīng)力較大的區(qū)域在靠近中心管與管板的連接區(qū)域附近，這是由于管板與換熱管需要變形協(xié)調(diào)所造成的，而其它換熱管中的應(yīng)力強(qiáng)度則非常小，從圖中看，最大應(yīng)力為104.452 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。圖8是換熱管中的軸向應(yīng)力，其軸向拉壓應(yīng)力均小于51.074 MPa，換熱管的軸向拉脫力也符合許用應(yīng)力要求。

4 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)壓力下對(duì)回路冷卻器管板部位有限元分析可以得出：該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在筒體部位，小于其許用應(yīng)力。管板與筒體、換熱管等的連接部位，該區(qū)域的應(yīng)力由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起，此處的應(yīng)力有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，按應(yīng)力強(qiáng)度校核低于材料許用應(yīng)力的3倍。換熱管與管板連接靠近中心的狹小區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度值低于材料許用應(yīng)力的1.5倍；換熱管的等效應(yīng)力及軸向應(yīng)力小于許用應(yīng)力。因此，回路冷卻器管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及方管箱的設(shè)計(jì)是安全的。

針對(duì)回路冷卻器特殊的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件，對(duì)其異形結(jié)構(gòu)管板及相應(yīng)區(qū)域在三種危險(xiǎn)組合操作工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，分別得出相應(yīng)的方形布管的固定管板、浮動(dòng)方管箱、方管板及換熱管的應(yīng)力分布規(guī)律。相關(guān)結(jié)果為該回路冷冷卻器的設(shè)計(jì)制造提供了理論依據(jù)，并對(duì)該類型特殊結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備應(yīng)力分析與評(píng)價(jià)提供了一種思路與方法。

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