U形管換熱器管板及接管應(yīng)力計算和疲勞分析

楊溪榮 王政威 孟祥宇

摘 ?????要：以某項目中的U形管換熱器的計算為例，應(yīng)用有限元數(shù)值分析的方法，對帶有交變載荷工況的換熱器進(jìn)行應(yīng)力及疲勞分析。根據(jù)應(yīng)力特點，進(jìn)行靜強度、安定強度及疲勞強度的評定。

關(guān) ?鍵 ?詞：換熱器;有限元分析;應(yīng)力分析;疲勞

中圖分類號：TQ 052 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ?????文章編號： 1671-0460（2019）04-0855-04

Abstract： Taking the calculation of u-tube heat exchanger in a project as an example， the stress and fatigue of the heat exchanger with alternating load were analyzed by using the finite element method. And then the static strength， stability strength and fatigue strength were evaluated according to the stress characteristics.

Key words： Heat exchanger; Finite element analysis; Stress analysis; Fatigue

管殼式換熱器是石油化工工程中應(yīng)用最為廣泛的過程設(shè)備之一，U形管換熱器在其中使用廣泛，其特點為U形管換熱管尾端可以自由浮動，解決了溫差應(yīng)力的問題;可以進(jìn)行換熱管抽芯清洗;只有一塊管板，結(jié)構(gòu)簡單且泄漏點少[1]。在GB/T151《熱交換器》中給出了三種工況下U形管換熱器管板的計算方法，但在標(biāo)準(zhǔn)給出的計算中并未涉及溫差應(yīng)力，以及疲勞情況下U形管換熱器管板的計算。本文以小回路換熱器計算過程為例，對U形管換熱器管板及管殼層接管進(jìn)行靜強度、安定強度、疲勞強度的計算。

1 ?設(shè)計參數(shù)

U形管換熱器的主要設(shè)計參數(shù)見表1，主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，殼程及管程壓力、溫度變化條件見圖2-5。

根據(jù)該容器的基本設(shè)計條件可知，容器完成一次工作循環(huán)的時間為5 h，容器在一個工作循環(huán)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力循環(huán)為，殼程操作工況在1.1 MPa/135 ℃到0.35 MPa/60 ℃之間循環(huán)。為簡化計算，將0.35/60 ℃操作工況看為0應(yīng)力狀態(tài)，此時殼程操作工況在1.1 MPa/135 ℃到0應(yīng)力狀態(tài)之間循環(huán)。本報告中選用設(shè)計載荷進(jìn)行計算，這對于分析結(jié)果是偏于安全的，所以最大應(yīng)力循環(huán)為，殼程設(shè)計工況在1.6 MPa/200 ℃到0應(yīng)力狀態(tài)之間循環(huán)。在設(shè)計壽命內(nèi)，總循環(huán)次數(shù)為16 000次。

2 ?載荷分析及有限元邊界條件

2.1 ?載荷分析

從整體上對給定的換熱器結(jié)構(gòu)按各種工況組合進(jìn)行具體有限元分析。在對給定換熱器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析時，考慮到結(jié)構(gòu)的承載特性和結(jié)構(gòu)的對稱性，在周向上取1/4結(jié)構(gòu)，長度上整體建立相應(yīng)有限元模型進(jìn)行分析與評定。在實際分析中對于分析工況組合參照GB/T 151《熱交換器》進(jìn)行，共考慮以下5種分析工況[2]，詳見載荷組合工況表2。

2.2 ?有限元邊界條件

容器采用結(jié)構(gòu)的1/4對稱三維實體模型。結(jié)構(gòu)實體模型見圖6，有限元模型見圖7-8。

位移邊界條件中約束容器筒體左端接管的軸向位移，對稱面處施加對稱約束。載荷邊界條件為管殼體內(nèi)壓、接管端部等效壓力。其中管板與殼程法蘭、管程法蘭按接觸分析。

4 ?疲勞強度評定

根據(jù)計算容器在殼程承壓+管程承壓設(shè)計工況下的應(yīng)力分析結(jié)果，整臺容器的應(yīng)力強度的最大值為196.51 MPa，出現(xiàn)在接管與殼體的連接處。故選擇接管與殼體的連接處結(jié)構(gòu)點進(jìn)行疲勞分析和評定。

疲勞分析時，主要考慮各工況下壓力循環(huán)[4]：簡化后最大應(yīng)力循環(huán)為，管程設(shè)計工況2.0 MPa/200℃，殼程設(shè)計工況在1.6 MPa/200 ℃到0應(yīng)力狀態(tài)之間循環(huán)。設(shè)備在使用壽命內(nèi)設(shè)備需要運轉(zhuǎn)N=16 000次（見表3），容器各部件在設(shè)計工況下最大應(yīng)力強度值為196.51 MPa。

交變應(yīng)力強度幅Salt= 0.5×196.51=98.255 MPa，將Salt修正到E=2.00×105 MPa的狀態(tài)下，則：

根據(jù)JB4732-95表C-3，Salt'對應(yīng)于S-N曲線允許循環(huán)次數(shù)n>1011次>16 000次，此設(shè)備疲勞校核合格。

5 ?結(jié) 語

（1）三維有限元分析計算可以比較準(zhǔn)確地描述出各種載荷對管板應(yīng)力的影響，其中可以考慮換熱管、管殼層內(nèi)壓、墊片壓緊力、螺栓力等。通過此種分析可以真實地反應(yīng)壓力載荷和溫度載荷對于管板的影響[5]。本文中考慮管殼層溫度差較小（不大于50 ℃），所以沒有對溫度場進(jìn)行計算。

（2）根據(jù)對換熱器管殼層及管板的計算，對容器整體進(jìn)行疲勞強度計算，其結(jié)果表明，滿足設(shè)計壽命要求。本文對帶有疲勞工況的換熱器，在GB/T 151《熱交換器》無法考慮疲勞工況時，提供了按照J(rèn)B/T 4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計校核過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭津洋，董其伍，桑芝富. 過程設(shè)備設(shè)計[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]GB/T 151-2014，熱交換器[S].

[3]JB/T 4732-1995，鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S] .

[4]陳超，李艷明.復(fù)雜載荷作用下管殼式換熱器管板的應(yīng)力和疲勞分析[J].化工設(shè)備與管道，2010，47（6）：19-22.

[5]季偉英，陳榮.基于有限元分析方法對換熱器設(shè)計方案的改進(jìn)[J].化工裝備技術(shù)，2007，28（1）：50-53.