固定管板式換熱器管板的應力分析和強度評定

楊翠娟

摘要：換熱器設備在化工、石油、食品等多種工業生產中應用廣泛。在換熱器制造過程中，管板與換熱管之間的連接結構和連接質量一定程度上決定了換熱器的質量優劣和使用壽命。由于管板與換熱管連接區域結構不連續，從而易產生各種連接質量問題，因此在危險工況下對管板與換熱管連接部位進行應力分析和強度校核是十分必要的。

關鍵詞：固定管板式換熱器；管板；應力分析；強度評定

目前，對換熱器管板結構進行應力分析的研究已有較多成果。應用ANSYS軟件對固定管板式換熱器在機械載荷和溫度載荷共同作用下的應力強度進行分析，并對危險截面進行強度校核，得出應在不同危險工況下，對換熱器不同部位進行分析和評定才能保證其安全可靠運行的結論；分析了不同操作工況下管板模型的應力場，得出除了筒體上的一次薄膜應力起控制作用外，管板的強度控制因素是位于管板與筒體連接圓角過渡處的一次應力加二次應力，且最大值發生在熱載荷和殼程壓力同時作用的操作工況下的結論；通過建立包括殼體、管束在內的管板三維實體有限元模型，將法蘭墊片用等效的均布比壓來代替，分析了管板在包括開工、正常工作和停車等過程中可能出現的七種瞬態和穩態操作工況下的強度狀況。

1管板結構的靜力分析

在反映結構力學特性的前提下，模擬時進行以下簡化：1）不考慮管板與換熱管焊接熱應力影響；2）不考慮管板與殼體的連接焊縫；3）不考慮管板兼做法蘭螺栓對其的受力。選擇管板一側面與所有換熱管孔面施加450℃的溫度載荷，并在該側面施加2MPa的壓力載荷；在管板另一側面施加147℃的溫度載荷和0.6MPa的壓力載荷；沿半徑方向，對換熱器管板最外邊緣施加全約束。

分析應力發現，該工況下管板結構的最大應力為46.9MPa，管板最大應力發生外側管孔局部區域，其他區域應力值并不大。采用管板材料為Q345R，450℃板厚為80mm的鋼板許用應力為66MPa。由計算結果可見，最大壓力小于材料的許用應力。

分析應變發現，該工況下管板結構的最大變形量為0.422×10-4m，出現在管板中心位置，由于管板徑向最外側受全約束限制，在熱應力和壓力的共同作用下，變形從圓心沿徑向方向逐漸變小，變形方向由管板受高溫高壓一側指向另一側，即管板會呈現出鼓脹的形態。

2結構參數

某工程中應用的固定管板式換熱器管板結構。其筒體內徑Di=1800mm，筒體壁厚δ1=12mm。換熱管規格為108mm×4mm，排列方式為轉角正三角形，管間距133mm，共139根。由于管程介質為高度危害的腐蝕性介質，所以在管板管程界面堆焊一層不銹鋼襯里，堆焊厚度δ=8mm，其中不銹鋼襯里僅起到抵抗腐蝕的作用，不承擔受力。本文建模忽略換熱管在管程側的伸出長度，殼體與管板采用焊接形式形成剛性連接。

3應力數值分析

3.1物理模型及網格劃分

本次研究中主要討論換熱器管板的應力分布規律，忽略開孔接管、管箱封頭及支座等。考慮到換熱管、管板及筒體結構特點和載荷特性滿足對稱條件，因此在Geometry模塊中對模型采用對稱簡化方法取其1/4作為分析模型。另外，管板與管程流體接觸界面堆焊的不銹鋼襯里不承受力，所以建模時僅取Q345R基體部分厚度。與管板連接的筒體，取實際管長一半，這樣就可以消除筒體邊緣處軸向應力分布對管板處應力分布的影響并充分考慮換熱管對管板的支撐作用。為確保滿足計算精度的要求，同時盡量減少網格數量，采用ANSYS17.0有限元分析軟件提供的20節點六面體和10節點四面體單元為主進行網格劃分。不同區域的結構采用不同的網格劃分方法，共劃分為240597個單元。

3.2邊界條件

根據GB151的規定，分別對管板在管程單獨作用、殼程單獨作用、管程和溫差同時作用、殼程和溫差同時作用、管程和殼程同時作用以及管程、殼程和溫差同時作用的多種工況下進行加載和計算。考慮到重力和外壓載荷對模擬的影響較小可以忽略，因此，在換熱管內表面施加管程壓力Pt，外表面施加殼程壓力PS，管板兩側分別施加管程與殼程壓力，殼體的內表面施加殼程壓力，在管板的外側面施加圓柱面約束。在殼體端面和換熱管端面施加對稱約束。由于換熱管與殼體材質不同且存在溫差，因此在管板上施加熱力工況；由于采用管板兼做法蘭結構，因此在管板各個螺栓孔中心施加螺栓載荷W。根據GB150.3—2010的法蘭計算公式，得到管程壓力作用下螺栓載荷W，為10304N。

4計算結果與應力評定

4.1計算結果

管板與筒體連接的部位應力分布不均勻，集中現象比較明顯，應力變化梯度大。在管程和溫差同時作用時，管板的等效應力達到最大值，為σmax=144.67MPa。該應力最大值出現在管板與筒體相連接的部位。六種工況條件下，變形量最大值為0.30mm，出現在管板外邊緣，管板中心部分的變形量可忽略不計。

4.2應力評定

為了對換熱器管板的安全性能做出評定，應用線處理法對應力進行當量線性化處理，然后進行應力分類評定。在不同工況下等效應力最大點處選取貫穿管板厚度的路徑作為應力處理線，將各應力分量沿這條應力處理線進行處理和評定。

由JB4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器-分析設計標準》中的應力分類原則可知，因內壓產生的薄膜應力為一次局部薄膜應力PL，因結構不連續產生的彎曲應力為二次應力Q。對路徑做線性化處理可得薄膜應力、彎曲應力和峰值應力，其中一次應力值反映結構發生塑性失效和彈性變形程度，結合二次應力保證結構可靠性，峰值應力強度反映結構疲勞破壞程度。有溫差作用的工況下均由一次應力加二次應力評定，而只有壓力作用的工況下，在管板處由一次彎曲應力評定，在管板與筒體連接處由一次應力加二次應力評定。通過對不同工況下選取的應力處理線進行分析可知，六種工況下管板結構均滿足強度要求，其中有溫差作用時應力情況復雜，為危險工況。

5結論

通過有限元分析對固定管板式換熱器管板的結構進行應力分析和強度評定，得出以下結論：固定管板式換熱器的管板與筒體連接區域應力情況復雜，應力集中明顯。通過模擬分析可知，在管程和溫差同時作用的工況下，管板的等效應力達到最大值，為σmax=144.67MPa。該應力最大值出現在管板與筒體相連接的部位。管板外邊緣部位有較大的變形量，在六種工況條件下，變形量最大為0.30mm，出現在管板外邊緣。由于換熱管對管板有支撐作用，因此管板中心部分的變形量較小，可忽略不計。

參考文獻：

[1]于斌，楊洪蘭.管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝研究[J].金屬加工，2017（6）：54-55.

[2]林國慶，王茂廷.基于ANSYS對壓力容器開孔接管區的應力分析與疲勞分析[J].輕工機械，2017，29（2）：116-119.

[3]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].二版.北京：中國水利水電出版社，2017.

[4]林有志，劉凌霜，宋愛斌，等.機械可靠性設計的研究現狀與進展[J].科學之友，2017：3-4.

（作者單位：石家莊鼎威化工設備工程有限公司）