殼程偏錐對換熱器固定管板設計影響的研究

魏冬雪，李小梅，徐儒庸，程偉

（中國寰球工程有限公司，北京100012）

換熱器是1種實現熱量傳遞的設備，廣泛應用于化工、煉油、冶金等領域。在換熱器的設計中，為了留有足夠的蒸發空間，殼程往往需要設計成帶偏錐的結構，偏錐結構的存在，就使管板的受力與沒有偏錐結構時的受力出現了差異。GB/T151中固定管板換熱器管板的計算模型為軸對稱結構，并假設換熱器2端的管板具有同樣的材料和相同的厚度，且2塊管板具有相同的邊界支承條件。GB/T151標準釋義明確說明，GB/T151中管板的計算模型不適用于殼程帶偏錐的固定管板換熱器［1，2］，主要是由于偏錐結構的存在，導致殼程各部件的剛度與沒有偏錐結構時產生了差異。在日常設計中，設計人員往往并未充分考慮此種差異。國內現行的標準沒有對帶偏錐結構換熱器管板的設計做出詳細的規定［3］，這可能導致管板設計的不合理、不安全。國內學者針對殼程帶偏錐的換熱器做了一定的研究，但是這些研究的針對性很強，只是針對某些特定尺寸的換熱器，或者重點研究了偏錐結構本身的受力分布特點，并沒有考慮偏錐的存在對固定管板的影響。雖然采用有限元建模分析的方法可以解決這個問題，但日常設計的換熱器尺寸多樣，應力分析費時費力，成本較高，因此很有必要找出一定的規律來指導日常的工程設計，既能省時高效，又能安全可靠地設計殼程帶偏錐的固定管板換熱器［4～6］。

文中采用有限元方法，分析計算了11種不同結構的殼程帶偏錐的固定管板換熱器，對應力分布規律進行了比較和總結，給今后該類換熱器的設計提供了有效的參考，并為以后更精確的設計計算奠定了基礎。

1 殼程帶偏錐的固定管板換熱器整體結構

文中所建立的殼程帶偏錐的固定管板換熱器的模型，以某裝置中的1臺塔頂冷凝器為例，并將模型進行簡化。為了考察小端直徑、大端直徑、小端直邊段長度以及偏錐角度對管板應力分布的影響，取小端直徑分別為2 500 mm和3 200 mm，大端直徑為4 500 mm，小端直邊段長度為300 mm和600 mm，偏錐角度30 °、45 °和60 °，對不同結構進行組合，共計算了5組11種工況，見表1。工況表示方法為“小端直徑—大端直徑—小端直邊段長度—偏錐角度”，其中test 3200和test 2500工況為對比工況，用于參照對比，沒有偏錐結構。

表1 工況列表

2 有限元數值模擬

2.1 有限元模型的建立

文中應用有限元軟件進行數值分析，采用目前在國際上應用極為廣泛的商用有限元計算軟件—ANSYS進行有限元分析。采用殼單元進行建模、網格劃分和應力分析［7］。

圖1 test3200工況下應力強度分布云圖

為方便計算和觀察，將換熱器結構進行簡化，略去管程結構只保留殼程主體結構。test1、test2和test3工況為帶偏錐的結構，模型包括管板、小端直邊段筒體、偏錐段和大端筒體。test 3200工況和test 2500工況為不帶偏錐的結構，模型包括管板和筒體。所有工況的模型均不考慮換熱管對管板的支撐作用，但考慮開孔對管板的虛削弱作用，采用彈性模量修正的方法對管板進行剛度修正。

2.2 載荷與邊界條件

換熱器設計溫度為200℃，設計壓力0.4 MPa，殼體材料為Q345R，管板材料為16MnIII，管板厚度130 mm，小端直邊段筒體、偏錐段、大端筒體的厚度均為20 mm。

在模型的內表面（與介質接觸的表面）施加內壓，右側筒體端面施加軸向和環向約束。

3 分析結果比較

文中研究了5組11種工況，分別按照JB4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》［8］，計算得到各個工況下的應力強度值，計算結果的應力強度分布云圖見圖1～11。每種工況下，左右2張圖分別給出了殼單元top面（管程側）和bottom面（殼程側）的結果。各工況下的管板應力強度值、test1工況和test2工況與test3200工況的對比結果、test3工況與test2500工況的對比結果見表2。

圖2 test1 3200-4500-300-30工況下應力強度分布云圖

圖3 test1 3200-4500-300-45工況下應力強度分布云圖

圖4 test1 3200-4500-300-60工況下應力強度分布云圖

圖5 test2 3200-4500-600-30工況下應力強度分布云圖

圖6 test2 3200-4500-600-45工況下應力強度分布云圖

圖7 test2 3200-4500-600-60工況下應力強度分布云圖

圖8 test 2500工況下應力強度分布云圖

圖9 test3 2500-4500-300-30工況下應力強度分布云圖

圖10 test3 2500-4500-300-45工況下應力強度分布云圖

圖11 test3 2500-4500-300-60工況下應力強度分布云圖

表2 計算結果匯總與對比

4 結論

采用有限元法對5組11種工況不同結構尺寸的，殼程帶偏錐的固定管板換熱器進行分析計算，得到結論：test1組別，test1 3200-4500-300-30工況，管板上的應力分布以及應力強度水平跟test 3200工況最為接近。偏錐角度越大，管板上應力分布越不均勻，且應力水平也會小幅增大；test2組別，增加小端筒體長度（由300 mm增至600 mm），發現管板上的應力分布不均勻程度略有加大，應力水平也會提高；test3組別，小端筒體直徑減小（由3 200 mm減小到2 500 mm），大端和小端的徑比增大，管板上的應力分布不均勻程度加大。

隨著偏錐角度的增大，偏錐對管板應力的影響逐漸增大。偏錐角度為30°和45°的情況下，偏錐的存在，對管板上的應力分布以及應力水平的影響并不大，60°的情況影響稍大。在工程設計中，在工藝條件允許的情況下，盡量將偏錐角度控制在45°以下。

在設計殼程帶偏錐的固定管板換熱器時，合理控制大端和小端的徑比，選取合適的偏錐角度以及小端直邊段的長度，可以保證按照GB/T151中管板的計算模型的安全性和可靠性，不必采用有限元應力分析方法進行建模分析計算，大大簡化了此類結構換熱器的設計，提高了設計效率，有效降低了設計成本。