基于ANSYS的雙換熱管雙管板換熱器應(yīng)力分析與評定

劉鶯歌

（風(fēng)凱換熱器制造（常州）有限公司，常州 213164）

管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于工業(yè)冷熱介質(zhì)熱交換作業(yè)中，泄漏是換熱設(shè)備常見的故障之一，一旦發(fā)生泄漏，會造成參與換熱的兩種介質(zhì)相互接觸[1]。在一般的化工工藝中，換熱器發(fā)生少量泄漏通常是允許的，但在多晶硅、有機(jī)硅和氟化工等特殊場合中，要求參與換熱的兩種介質(zhì)絕對不能接觸，否則不僅會對設(shè)備造成算還，嚴(yán)重時還會引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，近年來相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員開發(fā)了一種新型的雙換熱管雙管板換熱器，該換熱器兩端分別布置有兩塊管板，另外每根換熱管均是由套在一起的兩根管子組成，這種特殊的結(jié)構(gòu)可以有效阻止換熱器冷、熱介質(zhì)因各種泄露而發(fā)生的接觸，保證設(shè)備的安全[2]。

目前國內(nèi)外對熱換器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)選擇、雙套管型式、傳熱分析以及泄漏監(jiān)測等方面，在管板強(qiáng)度設(shè)計等方面研究還比較欠缺，尚未形成嚴(yán)格的設(shè)計體系與標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致很多熱換器設(shè)計主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來完成[3-5]。本文對該新型換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用有限元分析方法，利用ANSYS技術(shù)對某帶膨脹節(jié)的雙換熱管雙管板換熱器進(jìn)行應(yīng)力分析與評定，旨在為換熱器設(shè)計尋找一種可靠的強(qiáng)度計算方法。

1 雙換熱管雙管板換熱器結(jié)構(gòu)介紹

雙換熱管雙管板換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該換熱器的兩端分別布置兩塊管板，即外管板和內(nèi)管板，兩塊管板之間存在間隙并安裝膨脹節(jié)。換熱器的每根換熱管均是由套在一起的兩條管子組成，分別為外換熱管和內(nèi)換熱管，其中內(nèi)換熱管兩端分別與兩塊外管板連接，外換熱管分別與兩塊內(nèi)管板連接，內(nèi)、外換熱管之間存在間隙，該間隙與內(nèi)外管板之間的間隙相互貫通，構(gòu)成一個密閉的腔體，稱為隔絕腔。

圖1 某帶膨脹節(jié)雙換熱管雙管板換熱器結(jié)構(gòu)

該帶膨脹節(jié)雙換熱管雙管板換熱器管程設(shè)計壓力為0.6MPa，設(shè)計溫度為0～165℃；殼程設(shè)計壓力為1.2MPa，設(shè)計溫度為0～220℃，總體設(shè)計可以參考GB/T151-2014《熱交換器》。但對換熱管及管板部位采用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度計算，屬于局部有限元分析，其評定方法參照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，但是許用應(yīng)力仍按GB150-2011《壓力容器》中的有關(guān)規(guī)定選取，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 管束部件主要材質(zhì)物性參數(shù)

2 有限元分析

2.1 模型的建立

根據(jù)本文研究的雙換熱管雙管板換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取整個換熱器的八分之一作為研究對象。板殼理論研究表明：當(dāng)離開不連續(xù)處的距離（即圓筒的長度）超過（R為圓筒半徑，δ為圓筒壁厚）時，邊緣應(yīng)力的影響可以忽略不計。在實(shí)際計算時，一般取圓筒的長度不小于。因此，在結(jié)構(gòu)的長度方向，殼程筒體的長度取為。

2.2 網(wǎng)格劃分

受溫度場的影響，有限元分析計算采用實(shí)體單元，然后對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化處理。雖然采用這樣的分析方法，計算節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大增加，對計算機(jī)資源要求加大，且計算時間變長，但這樣可以真實(shí)地反應(yīng)換熱器在壓力載荷及溫度載荷共同作用下的應(yīng)力特征。結(jié)構(gòu)分析采用solid 185單元，為8節(jié)點(diǎn)六面體，傳熱分析采用solid 70單元，具體有限元計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

2.3 載荷與約束

各對稱面上施加對稱約束，其它載荷按設(shè)計壓力或工作壓力施加。此外，還需考慮螺栓預(yù)緊力以及墊片的密封比壓力，最后按工況組合施加溫度載荷。

2.4 工況選擇

有限元計算工況包括管程壓力載荷、殼程壓力載荷與溫度載荷等多種載荷工況及其組合，但在考慮差載荷的情況下，管程、殼程壓力載荷應(yīng)取工作時載荷。另外還需考慮停工過程中的T工況，計算工況共七種。

3 結(jié)果分析

在以上所有工況下進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：當(dāng)只作用設(shè)計壓力時，應(yīng)力比較小；由溫度載荷所引起的應(yīng)力最大，處于支配地位。經(jīng)計算，最危險工況組合為管程先停的操作（Ps+T），即溫度載荷和殼程壓力載荷同時作用時。下面以溫度載荷下的危險工況組合給出計算結(jié)果。

3.1 計算域內(nèi)總體應(yīng)力強(qiáng)度分布

首先，對域內(nèi)總體應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計算，具體結(jié)果如圖3所示。從整個有限元計算模型情況來看，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在隔離腔膨脹節(jié)波谷區(qū)域，靠近內(nèi)管板側(cè)。該區(qū)域存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)以及溫度梯度變化等情況，導(dǎo)致區(qū)域產(chǎn)生一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，最大值為292.983MPa，膨脹節(jié)的許用應(yīng)力為126.8MPa，顯然該值小于3倍的應(yīng)力強(qiáng)度。膨脹節(jié)的變形量為1.32mm，其單波的最大位移量為3.7mm，符合變形量的要求。

根據(jù)溫差載荷下的應(yīng)力分布圖顯示，危險工況下的應(yīng)力分布基本一致，應(yīng)力的大小及分布也變化不大。應(yīng)力較大部位主要分布在隔離腔膨脹節(jié)處及膨脹節(jié)與內(nèi)管板連接處。表明這些部分的應(yīng)力主要受溫差控制，同時也說明了膨脹節(jié)的設(shè)置有效的承載了絕大部分的溫差應(yīng)力。

3.2 內(nèi)管板應(yīng)力強(qiáng)度分布

內(nèi)管板上應(yīng)力強(qiáng)度分布情況如圖4所示。應(yīng)力強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在圖中靠近布管區(qū)外圍（MX標(biāo)示處）的管子與管板連接區(qū)域，最大值為257.646MPa。該應(yīng)力最大點(diǎn)處有以下特點(diǎn)：第一，幾何板存在溫差應(yīng)力。溫差應(yīng)力中含有峰值應(yīng)力，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)域也是安全的；第二，管板兩側(cè)的應(yīng)力分布不同。這主要是由于管板在受到溫度及傳熱影響后，應(yīng)力沿管板厚度方向發(fā)生改變。從應(yīng)力分布云圖可以看出，在管板周邊和隔離腔連接段短節(jié)處存在加大的應(yīng)力，該應(yīng)力屬于含溫差應(yīng)力的峰值應(yīng)力成分，這些區(qū)域的應(yīng)力可限制在3倍應(yīng)力強(qiáng)度范圍內(nèi)，顯然內(nèi)側(cè)管板在設(shè)計條件下是安全的。

圖3 Ps+T工況計算域內(nèi)總體應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

圖4 Ps+T工況內(nèi)管板應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.3 外管板應(yīng)力強(qiáng)度分布

外管板的應(yīng)力強(qiáng)度分布見如圖5所示。應(yīng)力較大的區(qū)域在靠近中心附近的管子周圍，同時在隔絕腔與管板連接的區(qū)域具有較高的應(yīng)力水平，這也是由該部位的結(jié)構(gòu)突變所引起的。外管板的最大應(yīng)力為86.438MPa，小于3倍應(yīng)力強(qiáng)度。該處的應(yīng)力隨著局部的塑性變形而緩解。應(yīng)力分布圖顯示，外管板管箱側(cè)的應(yīng)力水平明顯比隔離腔側(cè)應(yīng)力小，這同樣是由于考慮溫度及傳熱的影響后，應(yīng)力沿管板厚度方向發(fā)生改變。

外管板的應(yīng)力最大值很明顯小于內(nèi)管板的應(yīng)力最大值。考慮溫差作用下各種工況的應(yīng)力分布變化，發(fā)現(xiàn)溫差應(yīng)力對外管板的影響不再是最主要因素，而是隔離腔處所設(shè)置膨脹節(jié)，對外管板的應(yīng)力分布引起了關(guān)鍵作用，但對內(nèi)管板應(yīng)力的影響比較小。

圖5 Ps+T工況外管板應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

3.4 內(nèi)換熱管應(yīng)力強(qiáng)度分布

內(nèi)換熱管應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖6所示。從換熱管的應(yīng)力分布來看，靠近外圍區(qū)域的管束承受的應(yīng)力水平高于中心部位的管束。圖中顯示的應(yīng)力最大值是由于換熱管與管板連接的幾何不連續(xù)引起的，換熱管在靠近管板段應(yīng)力水平高于中間段，這是由于管板的變形引起的。

圖6 Ps+T工況內(nèi)換熱管軸向應(yīng)力分布圖

3.5 外換熱管的應(yīng)力強(qiáng)度分布

外換熱管應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖7所示。圖中外換熱管的最大軸向應(yīng)力為-41.8496MPa，出現(xiàn)在與管板連接的端部，其余區(qū)域的應(yīng)力水平均低于許用應(yīng)力。外換熱管的應(yīng)力水平整體高于內(nèi)套管，在4種危險工況下的變化不大，說明溫差應(yīng)力起主導(dǎo)作用。膨脹節(jié)的設(shè)置對內(nèi)換熱器影響作用不大，這是由于膨脹節(jié)設(shè)置位置在內(nèi)換熱器的管箱處，內(nèi)換熱器實(shí)際上還是不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。

圖7 Ps+T工況外換熱管軸向應(yīng)力分布

3.6 各元件應(yīng)力的校核

最后針對有限元模型中各部件的應(yīng)力最大值及其所在工況進(jìn)行校核，校核具體內(nèi)容如表3所示。

通過雙換熱管雙管板換熱器的有限元分析可以得出，該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在隔離腔連接內(nèi)外管板的膨脹節(jié)部位，該區(qū)域的應(yīng)力變化是由內(nèi)換熱管與外換熱管、內(nèi)換熱管與殼程筒體間較大的溫度差引起的，而膨脹節(jié)有效地承載了大部分溫差應(yīng)力。在膨脹節(jié)應(yīng)力最大處的應(yīng)力有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，其強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。內(nèi)、外管板以及內(nèi)、外換熱管中的應(yīng)力雖然存在變化，但除結(jié)構(gòu)突變處存在較大的溫差峰值應(yīng)力，管板及換熱管其余部分應(yīng)力分布及變化比較均勻，且均滿足強(qiáng)度校核條件。說明該結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全合理的，在隔離腔設(shè)置膨脹節(jié)也是必要的。

表3 強(qiáng)度校核

4 結(jié)論

本文利用ANSYS分析軟件對某帶膨脹節(jié)雙換熱管雙管板換熱器在7種危險工況下進(jìn)行了應(yīng)力分析，同時以最危險工況為例給出了相關(guān)計算結(jié)果，并根據(jù)計算結(jié)果對換熱器各原件進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度校核與評定，為該類型換熱器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的理論計算依據(jù)。由于雙換熱管雙管板換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，目前尚沒有統(tǒng)一的設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)，本文為該類型換熱器的設(shè)計計算提供了一種思路，并給出了具體的實(shí)施方法，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域的研究人員研究工作起到一定的幫助作用。