異形管板換熱器應力有限元分析

許進文，巢建偉

(常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164)

管板是管殼式換熱器的主要部件之一，常規的管板設計方法是用等效無孔實心板來代替多孔管板，采用比較簡單的公式、曲線、圖表進行設計計算[1]。由于換熱器管板結構多樣而且受力情況復雜，采用簡化力學模型基礎上建立的解析計算已經無法真正實現管板強度的有效計算，特別是一些結構特殊的管板更是難以應用現有規范設計和評定[2-3]。因此在數值計算方法中尋求解決方案成為實現管板強度有效計算的途徑[4-5]。為滿足特定工藝條件要求，某項目設計了一種具有異形管板結構的回路冷卻器，文章利用ANSYS分析軟件，對該特殊結構換熱器的異形管板及其相應區域的應力分布情況進行分析與評價，為類似結構的設計與應力分析提供了一種思路和方法。

1 回路冷卻器結構介紹

該回路冷卻器是一種采用方形布管的浮頭式換熱器，其結構如圖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構，浮動端管板為方形，其巧妙的結構及獨特的管束布置，實現了換熱器的高效率、大流量、大溫差、低阻力傳熱，滿足了特定的工藝要求。

圖1 回路冷卻器結構圖

該回路冷卻器總體設計屬常規設計，可按GB150-2011《壓力容器》及GB/T151-2014《熱交換器》進行。但其方形布管的固定管板以及方形浮動管箱及浮動管板的強度計算超出了上述國家標準的規定范圍，可采用有限元法進行，評定方法參照JB4732《鋼制壓力容器-分析設計標準》，許用應力仍按GB150-2011中的有關規定選取。該回路冷卻器管程設計壓力2.9MPa、設計溫度-34/50℃，殼程設計壓力為4.3 MPa，設計溫度均為-34/150 ℃，其相關技術參數如表1所示。

表1 技術參數表

2 有限元分析

2.1 模型的建立

2.2 網格劃分

此次計算采用實體單元，結構化網格，雖然這樣的模型將使得整個有限元計算的節點數大大增加，計算所需的計算機資源及時間也隨之大大增加，但這樣可以真實反映臭氧發生器在壓力載荷作用下的應力特征。結構分析采用8節點六面體單元solid 45，有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

2.3 載荷與約束

方管箱、圓管箱、換熱管內側表面和兩側管板的管程側表面受管程均布內壓作用(2.9 MPa)；方管箱外表面、殼程側筒體、換熱管外側表面和兩側管板的殼程側表面受殼程均布內壓作用(4.3 MPa)，在殼程側外筒體端部施加軸向平衡面載荷，圖2所示。根據結構分布的對稱特點，在各對稱面上施加對稱約束，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行組合，可以得到包括開工、正常工作和停工過程中可能會出現的七種瞬態和穩態操作工況，如表2所示。

表2 危險工況組合

由于此換熱器為浮頭式結構，因此，結構中的溫差應力可以不考慮，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)管程和殼程同時有壓力作用Pt+Ps。

3 結果分析

通過對以上三種工況的有限元分析，確定最危險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為最危險工況，此時，管板上的應力最大。下面以最危險工況組合給出計算結果。

3.1 總體應力強度分布

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

圖3 換熱器總體應力強度分布云圖

3.2 浮頭端管板

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

圖4 浮頭端管板應力強度分布云圖

3.3 浮頭管箱

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

圖5 方管箱應力強度分布云圖

3.4 固定管板

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

圖6 筒體側的管板介質側的應力強度分布云圖

3.5 換熱管

圖7 換熱管的應力強度分布云圖

圖8 換熱管軸向應力分布云圖

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

4 結論

通過以上設計壓力下對回路冷卻器管板部位有限元分析可以得出：該結構的最大應力值出現在筒體部位，小于其許用應力。管板與筒體、換熱管等的連接部位，該區域的應力由于結構不連續引起，此處的應力有一次應力、二次應力及峰值應力，按應力強度校核低于材料許用應力的3倍。換熱管與管板連接靠近中心的狹小區域的應力強度值低于材料許用應力的1.5倍；換熱管的等效應力及軸向應力小于許用應力。因此，回路冷卻器管板結構設計以及方管箱的設計是安全的。

針對回路冷卻器特殊的結構，利用ANSYS軟件，對其異形結構管板及相應區域在三種危險組合操作工況下的應力分布情況進行了分析，分別得出相應的方形布管的固定管板、浮動方管箱、方管板及換熱管的應力分布規律。相關結果為該回路冷冷卻器的設計制造提供了理論依據，并對該類型特殊結構的換熱設備應力分析與評價提供了一種思路與方法。

參考文獻

[1]李永泰，劉長虹，何錄武．我國標準管板設計方法與ASME規范的比較及換熱器管板應力分析應考慮的問題[J].壓力容器，2012，27(2)：42-49.

[2]許志鵬，楊 峻. 應用ANSYS對熱管換熱器管板應力的有限元分析[J].機械制造與自動化，2016(6)：127-129.

[3]孫志強，付元鋼. 凝汽器管板強度分析[J]. 機械工程師，2016(7)：185-186.

[4]葉增榮. 非對稱薄管板換熱器的有限元分析[J]. 壓力容器，2016(12)：28-36.

[5]王成剛，肖 健，高 興，等.基于ANSYS的換熱器非標管板應力評定[J].當代化工，2014，43(3)：416-419.