某型號換熱器前法蘭應力分析及評定

葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，劉 昊

（武漢工程大學機電工程學院， 湖北 武漢 430205）

某型號換熱器前法蘭應力分析及評定

葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，劉 昊

（武漢工程大學機電工程學院， 湖北 武漢 430205）

主要針對某型號換熱器前法蘭的應力進行了分析，利用有限元軟件分析了該型號換熱器前法蘭的溫度場以及在熱機耦合載荷下的應力場。根據ASME規范和相關判據對前法蘭關鍵部位進行了應力分析及安全評定。計算結果表明，該前法蘭最大的應力強度值為209.76 MPa小于安全強度值，故該設計在安全范圍之內，符合規范要求，同時為前法蘭的工程設計提供了理論基礎。

換熱器；前法蘭；有限元；應力分析；強度評定

換熱器廣泛應用于能源、石化、制冷空調、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業領域中并在其中占有相當大的投資比例[1]。隨著現代化的生產節奏，高效的生產率符合當今社會的要求，那么這對換熱器的設計來說存在資本投入的問題。近年來，許多工程都運用ANSYS有限元軟件對結構進行模擬分析，因其能夠較準確的反應結構在實際中的受力情況，使得工程設計更加科學合理，節約大量資源。本文運用有限元方法對某型號換熱器的前法蘭進行了應力分析及評定，以期望能夠為工程設計提供更加科學的分析方式。

1 結構模擬

1.1 結構模型及參數

本文主要研究內容是對某型號換熱器前法蘭所受的應力進行分析，但是在換熱器中，前法蘭是與殼體連接在一起的，為了能夠體現殼體對前法蘭的支撐作用，故建模時將殼體與法蘭同時建模，進而對其進行整體分析。在ANSYS建立的模型中，考慮到結構的對稱性，為節約計算機的資源，使用二分之一建模，同時對整體進行網格劃分。本文有限元結構分析采用 SOLID95單元（對應熱分析單元為SOLID90），SOLID95是三維八節點實體單元，該單元既能保證精度又能允許使用不規則的形狀。具體結構模型和材料物理參數如表1，圖1所示。

表1 材料物理參數Table 1 Material physical data

圖1 結構網格模型Fig.1 Structure and mesh model

經過網格劃分后，利用ANSYS統計出該模型共有單元2 123 538個，3 176 080個節點。利用單元檢查，未發現畸形單元。

1.2 載荷施加及邊界條件

結構承受的載荷是以下獨立載荷的組合：作用于前法蘭側表面（包括前法蘭與殼側氣體接觸表面）的殼程外界氣體壓力，作用于前法蘭內表面的管程流體壓力，作用于前法蘭流體壓力和殼程氣體壓力，作用于前法蘭和殼體之間的螺栓上所施加的均布拉力，作用于與墊片接觸面上所施加的均布墊片壓力，以及熱械耦合應力所產生的溫度載荷（前法蘭內側流體溫度與流體溫度）。本結構應力分析已經忽略了重力載荷的影響，結構所受載荷如圖2所示。

圖2 前法蘭載荷示意圖Fig.2 Front flange load schematic

圖2中，F1是螺栓所受的預緊力，F2是墊片提供的支反力，P1是換熱器流質的壓力，P2是外界氣壓，T1為換熱管內流質溫度，T2為殼程氣流質溫度。

2 應力分析及強度校核

2.1 溫度場分析

在正常操作條件下，前法蘭的熱邊界包括穩態對流傳熱和熱傳導。在熱分析中，利用前文中所說的將 SOLID95單位轉換為其相對應的熱單元SOLID90，并在ANSYS迭代求解器中進行求解。經過求解計算得到溫度分布云圖如圖3所示。

圖3 前法蘭溫度載荷Fig.3 Front flange temperature load

由圖3可知前法蘭和殼體內側，外側大部分區域溫度近似于流質溫度，但是在前法蘭與殼體連接處也即是焊縫處出現了熱應力集中現象。

2.2 壓力強度分析

由于結構分析包含熱應力分析，因此采用前法蘭的結構有限元模型為熱結構有限元模型。單元類型設置為為SOLID95單元。施加溫度載荷以及機械載荷后，結果如圖4，圖5所示。

圖4 前法蘭等值應力強度云圖Fig.4 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

圖5 前法蘭等值應力強度云圖Fig.5 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

通過觀察熱力耦合后的分析結果，我們可以知道當前法蘭處于穩定工作狀態下時，其最大應力強度值為209.76 MPa，位于前法蘭與殼體的連接處。

2.3 應力強度分析

由上文已知前法蘭的溫度場及應力場，故而能夠對所求得的應力強度進行線性化處理[2], 進一步對前法蘭進行應力強度校核。本文針對應力強度值比較高的區域進行了路徑分析，即在所分析得到結構的不連續位置處選取相對應的2個空間節點，設置成一個路徑，將上文所得的數據映射到所選路徑當中，再進行線性化處理[3]。路徑方向由內至外，回程水室不同路徑薄膜應力即薄膜應力加薄膜彎曲應力線性化結果如圖6，7所示。

圖6 前法蘭路徑評定示意圖Fig.6 Front flange evaluation path schematic

圖7 路徑1-5中薄膜應力及薄膜應力加薄膜彎曲應力的分布云圖Fig.7 Path1-5 distribution of membrane stress and membrane stress adding membrane bend stress

將所標記的5條路徑的應力分量進行疊加，得到相應的載荷狀態下的應力分量，進一步求出主應力及其強度值，最后進行應力強度評定[4,5]。由表 2可知前法蘭應力強度評定合格。

表2 前法蘭應力強度評定Table 2 Front flange stress intensity evaluation

3 結 論

本文運用 ANSYS結構計算軟件對熱力耦合作用下某管殼式換熱器的前法蘭的應力場進行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[6]規范進行了強度校核。計算結果表明，管殼式換熱器前法蘭的強度滿足安全要求。文中分析較客觀地反應了前法蘭的受力情況，能夠為相類似的換熱器原件的設計和校核提供理論依據。

［1］林宗虎.強化傳熱及工程應用[M].北京機械工業出版社,1985.

［2］欒春遠.壓力容器ANSYS分析與強度計算[M].北京:科學出版社,2008.

［3］穆曉東,吳玲.ANSYS軟件在鍋爐管板應力分析中的應用[J].煉油與化工,2010(1):39-41.

［4］鄭小濤,程詩,喻九陽.異型管板應力分析及強度校核[J].石油化工設備,2013,42(3):33-36.

［5］王定標,魏新利.壓力容器切向開孔接管區的應力分析設計[J].石油機械,2006,34(4):5-7.

［6］ASME鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范國際規范Ⅱ材料[M].北京:中國石化出版社,2007.

Stress Analysis and Strength Check of Front Flange in a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng，ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，LIU Hao

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

Stress analysis on a front flange of shell type heat exchanger was carried out, the temperature field of the front flange under the steady state condition and the stress field of the front flange under combination action of temperature load and pressure load were analyzed and calculated by finite element method. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the front flange were carried out. The result shows that the maximum stress intensity value of the front flange is 209 MPa, it is smaller than the secure stress intensity value and meet the requirements of the specification. The article also provides a reliable basis for engineering design and safety assessment of the front flange.

Heat exchanger；Front flange；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）03-0595-03

2014-07-16

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，碩士在讀，研究方向：化工過程機械，機械設計制造。E-mail：137592302@qq.com。