管殼式換熱器有限元分析及安全評(píng)定

李敏，李敬

（山東華魯恒升化工股份有限公司， 山東 德州 253000）

換熱器主要受溫度及機(jī)械載荷的影響。溫度及機(jī)械載荷會(huì)分別引起熱應(yīng)力和機(jī)械載荷應(yīng)力的變化。機(jī)械載荷包括管程和殼程壓力，機(jī)械載荷與熱應(yīng)力遵循不同的安全判據(jù)。不過(guò)在實(shí)際的換熱器運(yùn)行中，溫度和壓力是同時(shí)存在的。

1 加載與求解

在此工況下對(duì)管板分別加載1.1 4 M P a 和0.2 6 M P a 的壓力，對(duì)進(jìn)口和出口端筒體施加1.14MPa壓力，對(duì)換熱器殼體上施加0.26MPa的壓力，不施加任何溫度載荷。如圖1、圖2所示。

圖1 強(qiáng)力云圖管板應(yīng)力

圖2 路徑圖

1.1 結(jié)果分析

在機(jī)械載荷作用下，管板的應(yīng)力云圖出現(xiàn)有規(guī)律的變化，在管板厚度上的應(yīng)力是連續(xù)變化的，未出現(xiàn)明顯分層；管板徑向應(yīng)力沿管板邊緣中央變大，而應(yīng)力集中主要存在于管板與管程筒體、殼程筒體相連接的部位。應(yīng)力的最大值一般出現(xiàn)在管程筒體與管板連接的周向處，應(yīng)力最大值一般為30.32MPa。由此可見，選取path23、path24和path25路徑進(jìn)行線性化分析[1]。

(1)路徑path23分析

路徑Path23是在管板從管到殼的軸線方向截取的[2]。堆焊層厚度為3mm，如圖3所示。

圖3 Path23應(yīng)力變化

圖4 Path23熱應(yīng)力變化

如圖3所示，在path23路徑中應(yīng)力先減后增。在管程側(cè)壓力為1.14MPa，應(yīng)力隨厚度增加而減小。如圖4所示，本工況下的應(yīng)力強(qiáng)度與只有管程壓力下應(yīng)力強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，只是大小上表現(xiàn)有些差異[3]。

(2)路徑path24分析

應(yīng)力云圖所顯示出的應(yīng)力強(qiáng)度就在這條路徑上出現(xiàn)了最大值。

圖5 Path24應(yīng)力變化

圖6 Path24熱應(yīng)力變化

如圖5、圖6所示，1.14MPa的管程壓力對(duì)機(jī)械載荷的應(yīng)力強(qiáng)度變化情況和大小起決定作用。

(3)路徑path25分析

應(yīng)力云圖上顯示應(yīng)力強(qiáng)度在此路徑（方向?yàn)橛蓛?nèi)到外）上達(dá)到出現(xiàn)了應(yīng)力集中。這主要是由于形狀不連續(xù)和管程壓力影響產(chǎn)生的。如圖7所示，前7mm受到拉應(yīng)力的作用，當(dāng)達(dá)到最小值1.40MPa后，逐漸受到拉應(yīng)力的作用[4]，到達(dá)外表面時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度值為5.53MPa。

圖7 Path25應(yīng)力變化

1.2 分析結(jié)論和安全評(píng)定

通過(guò)以上的論述可以看出，管程筒體與管板相連接處的應(yīng)力強(qiáng)度值主要決定于管程壓力；殼程筒體與管板相連接處的應(yīng)力強(qiáng)度值主要決定于殼程壓力。對(duì)于管板厚度而言，管程的壓力要遠(yuǎn)大于殼程，且應(yīng)力主要取決于管程壓力。

2 正常工作工況

工況6為換熱器的正常穩(wěn)定工況。它包括受到1.14MPa的管程壓力、0.26MPa的殼程壓力的機(jī)械載荷和溫度載荷。此工況下設(shè)備的安全性能和應(yīng)力狀態(tài)，是用戶最關(guān)心的。在進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，必須將機(jī)械載荷和熱應(yīng)力清晰地分開，并針對(duì)它們使用各自的安全判據(jù)[5]。

2.1 加載與求解

在管束方面的分析中，將梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)上加入到相應(yīng)溫度值。如圖8、圖9所示。

2.2 結(jié)果分析

由于溫度太高導(dǎo)致使膨脹系數(shù)各不相同，出現(xiàn)了強(qiáng)熱應(yīng)力，并在厚度方向出現(xiàn)應(yīng)力分層。

（1）路徑path26分析

圖8 管板內(nèi)側(cè)管殼應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖9 路徑圖

Path26路徑是由管到殼軸向厚度所截取。在這路徑上分析比較，找出機(jī)械與溫度載荷對(duì)管程的不同影響，如圖10所示。

圖10 Path26應(yīng)力變化

圖11 Path26應(yīng)力強(qiáng)度比較圖

如圖10所示，應(yīng)力的變化較大。最大值出現(xiàn)在靠近殼筒側(cè)的管板上，最大值為248.92MPa。在9mm之內(nèi)主要受到拉應(yīng)力影響，且影響力不大，并使應(yīng)力值達(dá)到最小，最小值為25.3MPa，在9mm之外，主要受到拉應(yīng)力影響，且應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)，并在30mm處達(dá)到最大。

(2)路徑path27分析

沿管程筒體軸線方向，由內(nèi)而外截取的是路徑Path27，在這個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度的最大值。

圖12 Path27應(yīng)力變化

圖13 Path27應(yīng)力強(qiáng)度比較圖

如圖12所示，殼程側(cè)管板附近出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為65.42MPa。最前5mm之內(nèi)，受到拉應(yīng)力的作用，變化不大，且能達(dá)到最小，應(yīng)力最小值為18.2MPa，在5mm之外應(yīng)力逐漸增強(qiáng)。

（3）路徑path28分析

沿殼程筒體厚度方向，由內(nèi)而外截取的是路徑Path28，在此區(qū)域的應(yīng)力較大，考察這條路徑的目的在于通過(guò)比較分析，如圖14所示，應(yīng)力變化不大，整體受到拉應(yīng)力影響。

圖14 應(yīng)力變化

圖15 應(yīng)力強(qiáng)度比較

3 結(jié)論

一般工況下的換熱器會(huì)受到機(jī)械及溫度載荷的混合作用，云圖顯示，在管程側(cè)堆焊層局部區(qū)域產(chǎn)生很大的應(yīng)力強(qiáng)度值，熱應(yīng)力決定了此工況下整個(gè)換熱器應(yīng)力的強(qiáng)度、形態(tài)及分布，而機(jī)械載荷影響著換熱器的不同部位，且效果不同：機(jī)械載荷在管板厚度上消弱熱應(yīng)力的影響，在兩邊會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，原因是本身載荷及管子支撐共同的作用。管殼壓力在管程筒體上也能消弱熱應(yīng)力的影響，堆焊層的最大應(yīng)力下降；殼程筒體上，機(jī)械載荷增強(qiáng)了熱應(yīng)力的作用。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 楊宏悅. 大型固定管板式換熱器管板的有限元分析[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

[2] 步瓊. 15000m3大型球罐設(shè)計(jì)與支柱應(yīng)力分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

[3] 羅彩霞，梅瑛，許志珍. 高壓容器筒體與封頭連接處有限元分析及優(yōu)化[J].壓力容器，2011，28(8)：35-38.

[4] 付路路. 電站鍋爐不銹鋼管受熱面磁性檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].焦作大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，33(3)：85-89.

[5] 鄭連綱，呂勇波. 反應(yīng)堆壓力容器強(qiáng)度可靠性分析[J].核動(dòng)力工程，2012，33(4)：1-4.