溶劑回收塔頂-塔底換熱器管箱有限元分析

張 剛，曹吉胤*，付 杰，楊 清，楊 俠

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；

2.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北 武漢 430223

換熱器又被稱為熱交換器，其工作原理是通過熱交換把熱流體中的熱量傳遞到冷流體中，以此實現對熱流體的冷卻降溫的設備［1］。其應用在現實生活中十分廣泛，在化工、石油、動力、食品及其它許多工業生產中占有極其重要的地位。本文分析的某溶劑回收塔頂-塔底換熱器采用的是管殼式換熱器中的U 形管換熱器［2-4］，研究發現對于這種類型的換熱器在其法蘭和封頭等部件上容易出現損傷破環現象［5-6］，這對設備的正常運作產生了較大影響，嚴重的可能引起生命財產損失。因此，對某溶劑回收塔頂-塔底換熱器后端管箱處進行應力分析十分重要。在閱讀了近年來國內外關于換熱器應力分析的文章后，運用ANSYS 有限元方法，對某溶劑回收塔頂-塔底換熱器后端管箱進行了應力分析［7-8］，并按照相關的設計規范對換熱器后端管箱進行應力強度的校核［9-10］，驗證其設計合理性和安全性。

1 建立模型及有限元分析

1.1 幾何建模

管殼式換熱器的內部設計往往比較復雜，內部承受多種形式的工況載荷，其設計也嚴格執行GB/T 150.1~150.4—2011《壓力容器》、GB/T 151—2014《熱交換器》、JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》等標準。具體設計數據如表1所示。

表1 換熱器設計數據Tab.1 Heat exchanger design data

換熱器的各部件材質、許用應力、彈性模量、泊松比按照材料參數均參照GB/T 150.1—2011《壓力容器》選取，詳細數據如表2 所示。

表2 換熱器設計溫度下（t=150℃）下材料性能參數Tab.2 Material performance parameters of heat exchanger at design temperature（t=150 ℃）

某溶劑回收塔頂-塔底換熱器筒體規格為φ168.3 mm × 7.11 mm，換熱器后端封頭及法蘭局部結構簡圖如圖1 所示。

圖1 換熱器后端封頭及法蘭局部結構簡圖：（a）封頭輪廓圖，（b）封頭尺寸圖及剖視圖，（c）法蘭尺寸圖及剖視圖（單位：mm）Fig.1 Local structure diagrams of rear end head and partial flange of heat exchanger：（a）contour drawing of head，（b）size drawing and cross-sectional view of head，（c）size drawing and cross-sectional view of flange（Unit：mm）

考慮到某溶劑回收塔頂-塔底換熱器后端管箱的幾何結構和載荷，分析采用局部模型，包括筒體、平底封頭及長圓形法蘭以及法蘭的連接部位，根據要求建立出換熱器后端管箱的三維模型，如圖2 所示。

圖2 換熱器后端管箱實體模型：（a）正剖視圖，（b）軸側剖視圖Fig.2 Solid model of rear tube box of heat exchanger（a）orthographic view，（b）axis side cross-sectional view

1.2 模型網格劃分

在有限元軟件ANSYS18.0 中，采用8 節點實體單元（SOLID185）對實體進行網格劃分，厚度方向的網格單元劃分如下：筒體劃分為4 層，平底封頭劃分為3 層。對換熱器模型進行網格劃分，劃分的單元數為：124 158，節點數為：60 518。對換熱器模型的網格劃分結果如圖3 所示。

圖3 換熱器后端管箱網格模型：（a）網格模型的正剖視圖，（b）網格模型的軸側剖視圖Fig.3 Mesh models of rear tube box of heat exchanger：（a）front section view of mesh model，（b）axis side section view of mesh model

1.3 邊界條件設置與加載

（1）建立接觸對

分別建立長圓形法蘭Ⅰ與長圓形法蘭Ⅱ、及螺母與法蘭之間的接觸，總計3個接觸對，如圖4（a）所示。

（2）位移邊界條件

直角坐標系下，在結構對稱面施加對稱約束，筒體端部軸向位移約束，施加約束后有限元模型如圖4（b）所示。

（3）力邊界條件

承壓面施加內壓，即設計壓力：P1= 1.35 MPa；

螺栓預緊力采用建立螺栓預緊單元的方法施加，螺栓橫截面施加螺栓預緊力：F= 1130.4 N。施加載荷后的力學模型如圖4（c）所示。

圖4 邊界條件設置：（a）建立接觸對，（b）位移邊界條件，（c）載荷（內壓+螺栓預緊）Fig.4 Boundary conditions setting：（a）establishing contact pairs，（b）displacement boundary conditions，（c）load（internal pressure+bolt pretightening）

2 有限元計算結果及評定

2.1 有限元結果

有限元應力分析依據TRESCA 等效應力對模型進行評定，通過有限元軟件求解后得到了換熱器后端管箱以及各部件的TRESCA 應力云圖，如圖5 所示。

由圖5 的應力云圖可知，換熱器后端管箱的最大等效當量應力值位于平底封頭平板中心處，最大當量應力為253.121 MPa。

圖5 Tresca 等效應力云圖：（a，b）后端管箱，（c）長圓形法蘭Ⅱ，（d）長圓形法蘭Ⅰ及平底封頭，（e）螺栓軸向拉應力，（f）螺栓剪切應力Fig.5 Contour plots of Tresca equivalent stress：（a）and（b）rear tube box，（c）oblong flange II，（d）oblong flange I and flat bottom head，（e）bolt axial tensile stress，（f）bolt shear stress

2.2 應力評定

通過JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》（2005 確定）對換熱器后端管箱的有限元分析結果，進行應力強度的評定校核過程如下［11］：

主應力差：

KSm為一次總體薄膜應力極限強度；1.5KSm為一次局部薄膜應力強度極限；3.0Sm為一次加二次應力強度極限。

其中Sm為許用應力強度，K為載荷系數，設計工況下取K=1.0［12-14］。

（1）長圓形法蘭Ⅱ

從長圓形法蘭Ⅱ的Tresca 應力云圖5（c）可知，結構的最大等效當量應力值位于法蘭密封面接觸區域處，最大等效當量應力為96.164 7 MPa。應力評定路徑如圖5（c）中所示，路徑SCL1 至SCL2 應力線性化結果分析如表3 所示。

表3 各路徑評定結果Tab.3 Evaluation results of each path MPa

（2）長圓形法蘭Ⅰ及平底封頭

由有限元結果中長圓形法蘭Ⅰ及平底封頭Tresca 應力云圖5（d）可知，換熱器后端管箱在平底封頭平板中心處具有最大的等效當量應力值，最大當量應力為253.121 MPa。應力評定路徑如圖5（d）中所示，路徑SCL3 至SCL7 應力線性化結果分析如表3 所示。

（3）螺柱

對于常用的單線、三角形螺紋的普通高強度螺栓，根據第三強度理論可知螺栓強度條件為［15-16］：

螺栓受剪強度條件為：

從圖5 中（e）螺栓的軸向拉應力云圖可知，螺栓的最大拉應力值為69.538 8 MPa，從圖5（f）中螺栓的剪切應力云圖可知，螺栓的最大剪切應力值為75.617 3 MPa。

螺栓連接安全系數ns= 2.5，因此，螺栓強度條件通過。

綜上所述，設計工況下，某溶劑回收塔頂-塔底換熱器后端管箱結構強度評定通過。

3 結 論

（1）通過有限元分析軟件對某溶劑回收塔頂-塔底換熱器后端管箱的應力分析可知，該結構的最大應力出現在平底封頭平板中心處，最大當量應力值為253.121 MPa，其余位置的應力值均低于此處，因此，該結構平底封頭平板中心處更容易發生損傷或者破環，屬于危險區域。對此我們應該在滿足工況的基礎上盡可能增加此處的壁厚，從而提高該結構的強度。

（2）依據JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》對長圓形法蘭Ⅱ、長圓形法蘭Ⅰ及平底法蘭一共設置了7 條路徑進行強度評定，結果表明其強度均在允許范圍內，滿足了設計要求，同時驗證了此結構的安全性和合理性。

（3）根據第三強度理論對螺栓進行強度評定，從螺栓拉應力與剪切應力兩方面驗證了螺栓滿足強度要求。