纏繞管式換熱器管板熱-機械耦合場應力分析與安全評定

李耀宙 王澤武

（太原工業學院環境與安全工程系）（大連理工大學化工機械與安全學院）

換熱技術

纏繞管式換熱器管板熱-機械耦合場應力分析與安全評定

李耀宙*王澤武

（太原工業學院環境與安全工程系）（大連理工大學化工機械與安全學院）

纏繞管式換熱器作為高效節能裝置廣泛應用于諸多工業領域。由于該類換熱器所處的溫度和壓力較大，考慮到其自身重力，管板處的受力非常復雜，安全問題較為突出，因此在設計纏繞管式換熱器時有必要采用有限元軟件對管板進行應力分析。結合工程案例，利用ANSYS軟件，對換熱器建立了有限元分析模型，得到管板熱－機械耦合應力場，并進行安全評定。

纏繞管式換熱器 有限元 危險工況 結構強度 安全評定 耦合場

0 引言

纏繞管式換熱器相對于普通的列管式換熱器具有不可比擬的優勢，其結構緊湊、傳熱效率高、管側抗壓能力強、單元處理量大等。這種結構型式的換熱器由于其自身特殊結構，可使流場發展充分，不存在流動死區，且可實現多股流傳熱及熱應力補償，因而在石油、化工及核電領域得到廣泛應用[1-3]。但由于其所處的工作環境以及設備自重和內部介質質量的作用，管板部位受力比較復雜。很多學者利用有限元軟件對管板進行了應力場分析。例如，劉海亮等[4]采用實體模型對厚管板進行有限元分析。孫艷明[5]利用ANSYS中的Solid70和Solid185單元分別對管板進行溫度場分析和結構應力分析。冷紀桐等[6]建立有限元模型計算得到溫度場，并對溫度場與耦合應力場進行分析，得到管板最高應力值及某些路徑應力變化曲線。李健偉等[7]利用ANSYS對多股流繞管式換熱器管板進行應力分析，并對管板厚度進行了優化。楊宏悅等[8]利用ANSYS對固定管板式換熱器管板進行溫度場分析和熱應力場分析，提出并論證了溫度場和熱應力場迭代計算的必要性。陳永東等[9]對多股流纏繞管式換熱器的管板在不同載荷條件下進行了有限元分析和應力評定。以上文獻在對換熱器管板的溫度場和熱力耦合場計算過程中均未考慮自身重力的影響，而本文結合工程案例在考慮換熱器自身重力的條件下，對管板進行有限元分析和安全評定。

1 纏繞管式換熱器結構與主要參數

纏繞管式換熱器及管板的結構如圖1、圖2所示。表1為該換熱器的主要參數。

圖1 纏繞管式換熱器

圖2 換熱器管板結構

表1 纏繞管式換熱器主要參數

2 有限元模型驗證與工況分析

2.1 幾何結構和模型簡化

考慮到該換熱器采用立式安裝，因此同樣結構型式的管板，其下管板受力更復雜，不僅承受內壓載荷，同時還承受換熱器內物料質量載荷，大約為700 kN。本文主要對下管板局部結構進行應力計算和安全評定。根據圖1和圖2，對換熱器和管板結構進行簡化，簡化的幾何模型如圖3所示。

圖3 換熱器幾何模型

2.2 有限元模型驗證

圖4是該結構有限元模型，選用Solid185單元進行網格劃分，單元數為305 892，節點為407 745個，并在對稱軸上施加對稱邊界條件，在筒節最下端施加軸向位移約束。

經分析，該換熱器可能發生下述三種工況。（1）工況一：殼程壓力為2.7 MPa，管程壓力為7.4 MPa；（2）工況二：殼程壓力為0.0 MPa，管程壓力為7.4 MPa；（3）工況三：殼程壓力為2.7 MPa，管程壓力為0.0 MPa。需要對每種工況進行計算并進行比較分析，確定最危險工況，然后進行結構強度評定。

圖4 換熱器有限元網格

首先對有限元模型進行驗證。圖5和圖6分別為工況一條件下考慮重力和不考慮重力時的應力強度云圖。圖7為沿圖5中A-A路徑繪制的第一主應力數值解。A-A路徑位于筒節內側，從下到上約600 mm，得到筒節上的第一主應力（主體部位）約為125.5 MPa。同時，根據薄膜理論應力計算公式，得到筒節最大應力為

圖5 工況一條件下應力強度云圖（考慮重力）

對比理論計算與數值計算，最大應力理論解與第一主應力數值解基本吻合，這就驗證了本文有限元數值模型的正確性。由圖7可知，沿著A-A路徑在300 mm之后，應力出現較大波動，這是由于換熱器上管板與筒節出現幾何結構不連續、產生較大邊緣應力的緣故。

圖6 工況一條件下應力強度云圖（不考慮重力）

圖7 沿管板A－A路徑第一主應力、最大應力曲線

2.3 危險工況分析

由于該纏繞管式換熱器為立式安裝，因此本文擬就換熱器自身重力對其下管板的影響進行計算分析。圖5為考慮重力影響，換熱器在工況一下的應力強度云圖；圖6為未考慮重力影響，換熱器在工況一下的應力強度云圖。對比圖5和圖6，兩者應力強度相差23 MPa，表明重力載荷對立式纏繞管式換熱器下管板有較明顯的影響，因此對工況二和工況三進行應力計算時，也考慮自身重力的影響。

為了進行結構強度評定，需要確定最危險工況。圖5為在工況一時，換熱器管板結構的應力強度云圖，最大應力強度發生在管板與橢圓形封頭連接部位，最大應力值約為266.2 MPa。這是因為該處幾何不連續，曲面曲率半徑發生較大變化，所以引起高的邊緣應力。圖8為在工況二時，換熱器整體結構的應力強度云圖，最大應力強度發生在管板部位，最大應力值約為266.2 MPa。這是因為該處管板撓度變化較大且管板處出現應力集中的緣故。圖9為在工況三時，換熱器整體結構的應力強度云圖，最大應力強度發生在上筒體部位，最大應力值約為141.9 MPa。

圖8 工況二條件下應力強度云圖

圖9 工況三條件下應力強度云圖

為了確定換熱器的最危險工況，須對換熱器在三種工況下沿定義路徑進行應力分析。圖10為下管板在三種不同工況下沿圖5中A-A路徑的第一主應力曲線。由圖10可以看出：（1）在筒體端，第一主應力較為均勻，接近于薄膜理論計算第一主應力。在接近管板與筒體連接區域，應力出現波動，因為此處結構出現不連續，導致應力集中，所以該處是結構強度安全評定重點區域。（2）工況二，即殼程壓力為0.0 MPa，管程壓力為7.4 MPa時，沿A-A路徑第一主應力和工況一時接近，該工況最大應力處也是評定的重點區域。（3）工況三，即僅在殼程壓力為2.7 MPa時，根據第三強度理論，整體結構最大應力值為141.9 MPa。由上述分析可以得出結論，工況一、二為最危險工況，需要對該工況進行結構強度安全評定。

圖10 三種工況下管板沿A－A路徑第一主應力曲線

2.4 結構強度安全評定

根據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》查得，S30408材料在180℃時的設計應力強度為133 MPa。由于不考慮風載荷和地震載荷，此處K值取1。為了對該換熱器結構進行強度評定，選取具有代表性和危險性的七條強度評定路徑，分別為A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F和G-G路徑，如圖11所示。表2和表3給出了該換熱器結構在工況一和工況二時的強度評價結果。

圖11 整體結構七條強度評定路徑示意圖

從表2和表3可以看出，在工況一和工況二條件下，換熱器管板部位熱-機械耦合場應力均滿足JB 4732—1995標準規定的許用極限值，應力強度評定通過。

表2 工況一各路徑局部應力強度及校核結果

表3 工況二各路徑局部應力強度及校核結果

3 結論

本文對某纏繞管式換熱器管板在三種工況下進行了有限元分析，確定工況一和工況二為最危險工況，并對這兩種工況下的有限元模型局部高應力區進行了安全評定。根據計算結果，結構滿足強度要求。由于管板與封頭連接部位應力過大，為主要危險區域，因此應確保管板與封頭焊縫焊接質量，并盡量做到焊接部位平滑過渡，降低結構的幾何不連續，從而降低局部過高的邊緣應力。

[1]張賢安.高效纏繞管式換熱器的節能分析與工業應用[J].壓力容器，2008，25（5）：54-57，20.

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[5]孫艷明.循環氣冷卻器的應力分析及安全評定 [D].大慶：東北石油大學，2014.

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Stress Analysis and Safety Evaluation of Thermal-Mechanical Coupling Field of the Tube Plate in Spiral Wound Heat Exchanger

Li Yaozhou Wang Zewu

As an efficient energy-saving device,spiral wound heat exchangers are widely used in many industrial fields.Because the temperature and pressure of this kind of heat exchanger are large,and the gravity of the heat exchanger should be taken into account,the force acting on the tube plate is very complicated,and the safety problem is prominent.It is necessary to use finite element software to analyze the stress of the tube plate in the design of the spiral wound heat exchanger.Combined with the engineering case,the finite element analysis model of heat exchanger is established by using ANSYS software,and the thermal-mechanical coupling stress field of tube plate is obtained,and the safety evaluation is carried out.

Spiral wound heat exchanger;Finite element;Dangerous operating mode;Structural strength;Safety evaluation;Coupling field

TE 965

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.003

2016-10-20）

*李耀宙，男，1988年生，碩士，助教。太原市，030008。