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(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150090)

LNG板翅式換熱器板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布規(guī)律分析

周丹1,麻宏強(qiáng)2

(1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150090)

為保證LNG板翅式換熱器冷箱安全運(yùn)行，建立了板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力有限元耦合分析物理模型，采用熱-力直接耦合方法分析了大型LNG板翅式換熱器冷箱正常運(yùn)行時板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布規(guī)律，分析結(jié)果表明：實(shí)際運(yùn)行工況下板翅結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及基于第三強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力在釬焊位置處變化梯度較大，并且等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在翅片和隔板釬焊位置處，從而使釬焊位置可能發(fā)生疲勞破壞；對于整個板翅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最薄弱區(qū)在最外層隔板與翅片的釬焊位置處。上述研究成果將為大型LNG冷箱內(nèi)板翅式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全可靠運(yùn)行提供重要參考依據(jù)。

LNG;板翅式換熱器;熱應(yīng)力;ANSYS模擬;有限元分析

power Group，Beijing 100027,China;2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

0 引言

由于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好以及可同時進(jìn)行多種介質(zhì)換熱等特點(diǎn)，其在天然氣液化工業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，鋁制板翅式換熱器主要應(yīng)用于小型LNG液化工廠，世界范圍內(nèi)很少采用鋁制板翅換熱器作為大型LNG冷箱內(nèi)的主低溫?fù)Q熱器[3]；但是，隨著全球天然氣需求量日益增長，大型LNG冷箱相關(guān)技術(shù)應(yīng)取得突破。板翅式換熱器作為大型LNG冷箱關(guān)鍵設(shè)備，其關(guān)鍵部件——板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力集中嚴(yán)重影響其安全、可靠運(yùn)行[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者在板翅式換熱器局部熱應(yīng)力方面做了大量研究，但主要集中在其釬焊殘余應(yīng)力研究方面：如在高溫環(huán)境下，由于釬料與母材之間力學(xué)性能不匹配，在釬焊接頭處產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力，這將嚴(yán)重影響其蠕變行為和壽命[6-7]，所以文獻(xiàn)[8-9]對板翅結(jié)構(gòu)釬焊過程中的蠕變行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明翅片和隔板釬焊位置處為板翅結(jié)構(gòu)最容易破壞位置，最大殘余應(yīng)力對其蠕變行為產(chǎn)生很大影響。文獻(xiàn)[9-10]采用有限元方法基于二維模型對三層板翅結(jié)構(gòu)釬焊過程進(jìn)行了熱-力分析，其表明隔板與翅片具有不同熱變形和應(yīng)力應(yīng)變分布特征，板翅釬焊接頭釬角處應(yīng)力狀況復(fù)雜，易萌生裂紋導(dǎo)致板翅結(jié)構(gòu)的失效。同時，文獻(xiàn)[11]采用熱-力順序耦合方法對板翅結(jié)構(gòu)典型路徑釬焊過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，同樣得出最大殘余應(yīng)力發(fā)生在翅片和隔板釬焊位置處。文獻(xiàn)[12]在文獻(xiàn)[13]二維分析的基礎(chǔ)上建立了三維模型，利用有限元軟件ABAQUS，對不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)在釬焊過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及其高溫下的蠕變松弛行為進(jìn)行三維有限元分析，結(jié)果表明在高溫環(huán)境下，由于蠕變松弛殘余應(yīng)力大幅度下降，但是釬縫處仍然存在一定的殘余應(yīng)力，其本質(zhì)上是對前面分析方法的一種改進(jìn)。上述文獻(xiàn)綜述表明，目前研究主要是基于熱彈塑性理論的板翅結(jié)構(gòu)釬焊殘余應(yīng)力以及高溫蠕變進(jìn)行研究，而基于熱彈性理論的運(yùn)行工況下板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布規(guī)律研究較少。

為保證大型LNG板翅式換熱器冷箱的安全可靠性運(yùn)行，有必要研究實(shí)際運(yùn)行條件下，板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布規(guī)律。本文在板翅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論分析的基礎(chǔ)上，建立了板翅結(jié)構(gòu)有限元數(shù)學(xué)物理模型，基于熱彈性理論采用熱-力直接耦合有限元方法分析了實(shí)際運(yùn)行工況下板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布規(guī)律，得出了板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力集中區(qū)。

1 板翅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論分析

σr≤[σ]

(1)

其中等效應(yīng)力σr可表示為

σr=σ1-σ3

(2)

式中 [σ]——許用應(yīng)力/Pa；

σr——等效應(yīng)力/Pa；

σ1——第一主應(yīng)力/Pa；

σ3——第三主應(yīng)力/Pa。

依據(jù)該理論，當(dāng)板翅結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力超過其對應(yīng)許用應(yīng)力時有可能引起板翅結(jié)構(gòu)應(yīng)力破壞，所以本文在板翅結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，分析了基于第三強(qiáng)度理論計算的等效應(yīng)力的分布規(guī)律。

2 有限元模型分析

2.1 模型簡化

板翅結(jié)構(gòu)是LNG板翅式換熱器的核心部件，其主要由翅片、隔板通過不同疊積和適當(dāng)排列釬焊而成，如圖1。由于其結(jié)構(gòu)的周期性、重復(fù)性以及復(fù)雜性，需要對其做相應(yīng)假設(shè)：

(1)板翅結(jié)構(gòu)內(nèi)部天然氣(NG)、混合冷劑(MR)交替流動，并進(jìn)行逆流換熱，如圖1；

(2)忽略層數(shù)對板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力特性的影響；

(3)板翅結(jié)構(gòu)整體材料與釬焊焊縫釬料均為AL3004?；谏鲜黾僭O(shè)可取四層流道進(jìn)行分析；同時，考慮到板翅結(jié)構(gòu)的周期對稱性以及在很短長度L內(nèi)沿流道長度方向流體溫度變化較小，所以在與長度L垂直的截面上取一個周期(圖1虛線部分)，長度L方向取很小一段進(jìn)行分析，簡化模型如圖2，網(wǎng)格模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)(層數(shù)從下向上一次遞增)

圖1 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)簡化模型

圖3 簡化模型的局部網(wǎng)格

2.2 材料屬性

由于AL3004材料性能參數(shù)從常溫到低溫時變化較大，所以在整個分析過程中考慮了溫度對膨脹系數(shù)、彈性模量的影響，忽略了其對導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱容的影響，其詳細(xì)物性參數(shù)見表2。

表2 AL3004力學(xué)性能參數(shù)

2.3 有限元分析方法

ANSYS熱-力耦合分析方法主要有順序耦合和直接耦合，順序耦合是首先對板翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析得出結(jié)構(gòu)溫度場，然后將熱分析得到的結(jié)構(gòu)溫度場作為結(jié)構(gòu)分析的熱載荷加載到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；而直接耦合一般只涉及到一次分析，使用包括所有必要自由度的耦合場單元，通過計算包含所需物理量單元矩陣或載荷向量的方式進(jìn)行耦合。由于翅片、隔板結(jié)構(gòu)尺寸小，相對變形量大等特點(diǎn)，需要考慮溫度場與應(yīng)變場相互影響，本文采用基于熱彈性理論的熱-力直接強(qiáng)耦合有限元方法；同時，板翅結(jié)構(gòu)截面具有周期對稱性，采用周期性對稱邊界；天然氣、混合冷劑與固體壁面是一個對流換熱過程，其熱邊界采用對流換熱邊界，即

q=h(Tf-Tw)

式中q——壁面熱流密度/W·m-2;

h——冷熱流體對流換熱系數(shù)/W·m-2·K-1;

Tf——流體溫度/K;

TW——壁面溫度/K。

對于流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊界，施加流體操作壓力；在板翅結(jié)構(gòu)上頂面施加外力邊界，模擬外界對它的作用如圖3。

3 模擬結(jié)果分析

為分析LNG板翅式換熱器冷箱在實(shí)際運(yùn)行過程中板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布規(guī)律，本節(jié)在表3邊界條件下對板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力進(jìn)行模擬，并對圖3四條典型路徑的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及基于第三強(qiáng)度理論計算的等效熱應(yīng)力(式(2))變化規(guī)律進(jìn)行分析，圖4是路徑1的熱應(yīng)力分布規(guī)律，計算結(jié)果表明在翅片和隔板釬焊位置1、2處第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和等效熱應(yīng)力變化梯度較大，并且第一主應(yīng)力和等效熱應(yīng)力均達(dá)到最大值；圖5是路徑2的熱應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明在翅片結(jié)構(gòu)局部突變位置4以及翅片和隔板釬焊位置2處第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及等效熱應(yīng)力變化梯度較大，并且均達(dá)到局部最大，但對整個路徑來說，其最大應(yīng)力仍處在翅片和隔板釬焊位置2處。圖6是路徑2的熱應(yīng)力分布規(guī)律，通過圖6同樣得出在結(jié)構(gòu)突變位置和翅片與隔板釬焊位置處第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及等效應(yīng)力變化梯度較大，并且第一主應(yīng)力和等效應(yīng)力均出現(xiàn)峰值，但整個路徑的第一主應(yīng)力和等效應(yīng)力最大值仍然在翅片和隔板釬焊位置6處；圖7是路徑4的熱應(yīng)力分布規(guī)律，與路徑1得出相同的結(jié)果，其最大熱應(yīng)力分布在板翅結(jié)構(gòu)翅片和隔板釬焊位置處。但通過圖4與圖7對比，可以得出路徑1釬焊位置處最大應(yīng)力大于路徑4釬焊位置的最大應(yīng)力，也就是說，最外層隔板與翅片的釬焊位置處是整個板翅結(jié)構(gòu)的薄弱處。綜上所述在實(shí)際運(yùn)行工況下板翅結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及基于第三強(qiáng)度理論的等效熱應(yīng)力在翅片和隔板釬焊位置處變化梯度較大，并且等效應(yīng)力達(dá)到最大值，這意味著翅片和隔板釬焊位置處為局部結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)，但對于整個板翅結(jié)構(gòu)，其最不利點(diǎn)處在最外層隔板與翅片的釬焊位置處。

表3 邊界條件設(shè)置

圖4 路徑1應(yīng)力變化

圖5 路徑2應(yīng)力變化

圖6 路徑3應(yīng)力變化

圖7 路徑4應(yīng)力變化

4 結(jié)論

本文基于熱彈性理論建立了板翅式換熱器板翅結(jié)構(gòu)物理模型，采用熱-力結(jié)構(gòu)直接耦合方法模擬分析了大型LNG冷箱實(shí)際運(yùn)行時內(nèi)部板翅式換熱器板翅結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布規(guī)律，其模擬結(jié)果表明：

(1)大型LNG板翅式換熱器冷箱實(shí)際運(yùn)行過程中，其翅片和隔板釬焊位置處承受著局部最大應(yīng)力，該處易發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞破壞。

(2)對于實(shí)際運(yùn)行中的整個板翅式結(jié)構(gòu)來說，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在最外層隔板與翅片的釬焊位置處，在板翅式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以注意。

[1]Liu, Z. and R.H.S. Winterton, A GENERAL CORRELATION FOR SATURATED AND SUBCOOLED FLOW BOILING IN TUBES AND ANNULI, BASED ON A NUCLEATE POOL BOILING EQUATION [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1991. 34(11): p. 2759-2766.

[2]Peng, H. and X. Ling, Optimal design approach for the plate-fin heat exchangers using neural networks cooperated with genetic algorithms [J]. Applied Thermal Engineering, 2008. 28(5-6): p. 642-650.

[3]Ligterink, N.E., S.V. Hageraats-Ponomareva, and J.F.M. Velthuis, Mechanical integrity of PFHE in LNG liquefaction process [C]// in 2nd Trondheim Gas Technology Conference, M. Barrio and H.J. Venvik, Editors. 2012. p. 49-55.

[4]Picard, F., et al., Modelling and Dynamic Simulation of Thermal Stresses in Brazed Plate-Fin Heat Exchanger[C]// 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering and 9th International Symposium on Process Systems Engineering, 2006. 21: p. 659-664.

[5]Mizokami, Y., et al. Development of structural design procedure of plate-fin heat exchanger for HTGR[J]. Nuclear Engineering and Design, 2013. 255: p. 248-262.

[6]Aiyangar, A.K., et al. The effects of stress level and grain size on the ambient temperature creep deformation behavior of an alpha Ti-1.6 wt pct V alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions a-Physical Metallurgy and Materials Science, 2005. 36A(3): p. 637-644.

[7]Galli, M., J. Botsis, and J. Janczak-Rusch, Relief of the residual stresses in ceramic-metal joints by a layered braze structure[J]. Advanced Engineering Materials, 2006. 8(3): p. 197-201.

[8]Jiang, W.C., et al. Finite element analysis of creep of stainless steel plate-fin structure[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2007. 43(5): p. 539-545.

[9]Jiang, W.C., et al. The effect of filler metal thickness on residual stress and creep for stainless-steel plate-fin structure [J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008. 85(8): p. 569-574.

[10]Jiang, W.C., et al. Numerical modelling and nanoindentation experiment to study the brazed residual stresses in an X-type lattice truss sandwich structure [J]. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2011. 528(13-14): p. 4715-4722.

[11]Xie, Q.Y. and X.A. Ling, Numerical Analysis of Residual Stress for Copper Base Brazed Stainless Steel Plate-Fin Structure[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2010. 19(5): p. 611-615.

[12]Jiang, W.C., J.M. Gong, and S.T. Tu, A new cooling method for vacuum brazing of a stainless steel plate-fin structure [J]. Materials &Design, 2010. 31(1): p. 648-653.

[13]Jiang, W.C., et al. Finite element analysis of the effect of welding heat input and layer number on residual stress in repair welds for a stainless steel clad plate [J]. Materials &Design, 2011. 32(5): p. 2851-2857.

ThermalStressDistributionofPlate-finStructureinLNGPlate-finHeatExchanger

ZHOU Dan1，MA Hong-qiang2

(1.CNOOC Gas &

In order to ensure the safe operation of large-scale cold-box, a finite element model (FEM) based on thermal elastic theory was proposed to simulate thermal stress distribution of plate-fin structure in large LNG cold box under the normal operating conditions. Thermal-stress direct coupling method was adopted in this analysis. By the thermal stress distribution in four paths marked in the structure, it is found that, in actual operating conditions, the first principal stress and the third principal stress reach to maximum value in brazed joint, the stress gradient is larger than that of other region and a crack would be occurred in this region. And the equivalent thermal stress based on third strength theory was also calculated in four paths. The result is consistent with the simulation results. Meanwhile, it also concluded that the most dangerous region is the outermost brazed joint between plate and fin for the whole plate-fin structure. These results will provide some constructive instructions in the design and safe operation for large-scale LNG cold-box.

LNG;plate fin heat exchanger;thermal stress;ANSYS;finite element analysis

2014-03-15修訂稿日期2014-05-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA09A216)

周丹(1964～)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，長期從事LNG和油氣儲運(yùn)相關(guān)技術(shù)研究及管理工作。

TK172;TK225

A

1002-6339 (2014) 04-0291-04