葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，彭紅宇

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

某型號換熱器回程水室應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，彭紅宇

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

研究了某型號管殼式換熱器的回程水室，運(yùn)用有限元軟件Ansys分析了該回程水室在穩(wěn)態(tài)下的溫度場及其在溫度載荷與壓力載荷共同作用下的應(yīng)力場。根據(jù)ASME規(guī)范和相關(guān)判據(jù)對回程水室關(guān)鍵部位進(jìn)行了應(yīng)力分析及安全評定。計算結(jié)果表明，該回程水室的設(shè)計在安全范圍之內(nèi)，符合規(guī)范要求，這為回程水室的工程設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

換熱器；回程水室；有限元；應(yīng)力分析；強(qiáng)度評定

在化工、石油及能源等行業(yè)相當(dāng)廣泛應(yīng)用的單元設(shè)備是換熱器。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá)到96%。據(jù)資料收集，現(xiàn)代化工中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，而在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備大約40%的分量。換熱器不僅能夠合理調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的溫度以滿足工藝流程的需要,也是余熱廢熱回收利用的有效裝置[1]。所以在工業(yè)生產(chǎn)中,如何準(zhǔn)確的設(shè)計出結(jié)構(gòu)性能好的換熱器尤為突出，那么相對應(yīng)的檢驗(yàn)方法也必須符合實(shí)際要求。本文利用ANSYS軟件對管殼式換熱器回程水室進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度評定。

1 結(jié)構(gòu)模擬

1.1 計算網(wǎng)格模型

考慮到結(jié)構(gòu)的1/4對稱性，為減少計算機(jī)開銷，選擇1/4模型進(jìn)行分析計算。本文有限元結(jié)構(gòu)分析采用SOLID95單元（對應(yīng)熱分析單元為SOLID90），SOLID95是三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。該單元既能保證精度又能允許使用不規(guī)則的形狀，適用于曲線邊界的建模，具體體現(xiàn)在塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變，并且能夠很好的滿足各項(xiàng)性能(圖1)。物性參數(shù)如表1所示。

圖1 計算網(wǎng)格模型Fig.1 Calculation and mesh model

經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，利用ANSYS統(tǒng)計出該模型共有單元1 223 538個，217 708個節(jié)點(diǎn)。經(jīng)單元檢查，無畸形單元。

1.2 施加載荷及約束

結(jié)構(gòu)承受的載荷是以下獨(dú)立載荷的組合：作用于殼側(cè)表面（包括回程水室與殼側(cè)氣體接觸表面）的殼程外界氣體壓力，作用于回程水室外表面的管程流體壓力，作用于回程水室流體壓力和殼程氣體壓力，作用于管板和水室之間的螺栓上所施加的均布拉力，作用于與墊片接觸面上所施加的均布墊片壓力，以及熱械耦合應(yīng)力所產(chǎn)生的溫度載荷（回程水室側(cè)流體溫度與流體溫度）。本結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析已經(jīng)忽略了重力載荷的影響，結(jié)構(gòu)所受載荷如圖2所示。

表1 材料物理參數(shù)Table 1 Material physical data

圖2 回程水室蓋板載荷示意圖Fig.2 Onlet-oulet cover load schematic

圖2 中，F(xiàn)2是螺栓所受的預(yù)緊力，P1是換熱器流質(zhì)的壓力，P2是外界氣壓，T1為換熱管內(nèi)流質(zhì)溫度；T2為殼程氣流質(zhì)溫度。

用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)部件的影響的傳熱稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。通常利用穩(wěn)態(tài)熱分析來確定溫度分布，并且有限元計算用于確定由熱載荷引起的溫度、熱梯度、壓力等參數(shù)。

由此可見，本文將主要從穩(wěn)態(tài)的對流傳熱和熱傳導(dǎo)這兩種方式對模型進(jìn)行分析熱分析。

2 應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

2.1 溫度場分析

按照前文所說的加載方式加入溫度載荷以后求解得到溫度場分布如圖3所示。

由圖可以知道，溫度最高為回程水室里面直接和流質(zhì)接觸部分，溫度為100 ℃，符合實(shí)際工況。

2.2 壓力場分析

由于結(jié)構(gòu)分析包含熱應(yīng)力分析，因此采用回程水室的結(jié)構(gòu)有限元模型為熱結(jié)構(gòu)有限元模型。單元類型設(shè)置為為SOLID95單元。施加溫度載荷以及機(jī)械載荷后，結(jié)果如圖4所示。

圖 3 回程水室蓋板溫度載荷Fig.3 Onlet-oulet cover temperature load

圖4 進(jìn)出水室蓋板等值應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.4 Onlet-oulet cover equivalence stress intensity arrangement map

通過觀察熱力耦合后的分析結(jié)果，我們可以知道當(dāng)回程水室處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下時，其最大應(yīng)力強(qiáng)度值為218.4 MPa。

2.3 壓力容器應(yīng)力強(qiáng)度評定方法

由于應(yīng)力強(qiáng)度計算方法分為點(diǎn)處理法和線處理法[2]。

（1） 點(diǎn)處理法是將容器各個計算部位，按各自一個點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度與分析設(shè)計規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力分類的強(qiáng)度條件進(jìn)行比較判斷。但是采用點(diǎn)處理這種方法有局限性，如果所選點(diǎn)的應(yīng)力能夠符合該區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律，那么就能有效地對該區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度評價，當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)力分布同樣十分復(fù)雜時，憑借一個點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度就很難代表整個區(qū)域的應(yīng)力分布狀況。

（2）線處理的步驟為：將沿線的各應(yīng)力分量（計算所得結(jié)果）按二次曲線的分布規(guī)律利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出應(yīng)力分布曲線[3]：

式中：

t — 處理線上的坐標(biāo)，t=Lx/L；

L— 處理線全長；

Lx— 處理線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；

Ci— 擬合曲線常數(shù)。

對上式所求得的應(yīng)力進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，得到均勻化處理的平均應(yīng)力分布函數(shù)，其值域?qū)儆诒∧?yīng)力范圍，其線性部分應(yīng)力屬于彎曲應(yīng)力范圍，其余非線性部分為峰值應(yīng)力范圍[4]。

2.4 回程水室的應(yīng)力強(qiáng)度分析

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度計算結(jié)果，在6處應(yīng)力集中區(qū)域設(shè)置路徑[5]，路徑方向由內(nèi)至外，回程水室不同路徑薄膜應(yīng)力即薄膜應(yīng)力加薄膜彎曲應(yīng)力線性化結(jié)果如圖5,6所示。

圖 5 進(jìn)出水室蓋板評定路徑示意圖Fig.5 Onlet-oulet cover evaluation path schematic

圖 6 路徑1-6中薄膜應(yīng)力及薄膜應(yīng)力加薄膜彎曲應(yīng)力的分布云圖Fig.6 The distribution of membrane stress and membrane stress plus membrane bend stress in path1-6

評定結(jié)果如表2所示。

表2 進(jìn)出水室蓋板應(yīng)力強(qiáng)度評定Table 2 Onlet-oulet cover stress intensity evaluation

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用ANSYS結(jié)構(gòu)計算軟件對熱力耦合作用下管殼式換熱器的回程水室的應(yīng)力場進(jìn)行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[7]規(guī)范進(jìn)行了強(qiáng)度校核。計算結(jié)果表明，管殼式換熱器回程水室的強(qiáng)度滿足安全要求。文中分析較客觀地反應(yīng)了回程水室的受力情況，能夠?yàn)橄囝愃频膿Q熱器原件的設(shè)計和校核提供理論依據(jù)。

［1］ 董其伍,劉敏珊.換熱設(shè)備CAD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

［2］ 欒春遠(yuǎn),壓力容器ANSYS分析與強(qiáng)度計算[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

［3］蓋超會, 高興. 管殼式換熱器部件的應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核[J]. 當(dāng)代化工, 2014, 43(3): 429-431.

［4］ 陳秋順, 仲梁維. 基于ANSYS的熱交換器應(yīng)力強(qiáng)度分析[J].精密制造與自動化, 2009(3): 46-48.

［5］鄭小濤,喻九陽.異型管板應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核[J].石油化工設(shè)備,2013,42(3):33-36.

［6］ 王定標(biāo),魏新利.壓力容器切向開孔接管區(qū)的應(yīng)力分析設(shè)計[J].石油機(jī)械,2006,34(4):5-7.

［7］ASME鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際規(guī)范Ⅱ材料[S].北京:中國石化出版社,2007.

Stress Analysis and Strength Check of Onlet-oulet Cover of a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng， ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，PENG Hong-yu
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The onlet-oulet cover of a shell and tube heat exchanger was studied by finite element method. The temperature field of the onlet-oulet cover under the steady state condition was analyzed, and the stress field of the onlet-oulet cover under combination action of temperature load and pressure load was calculated. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the onlet-oulet cover were carried out. The results show that the design of onlet-oulet cover is in a safe range, and can meet the requirements of the specification. The article can also provide a reliable basis for engineering design and safety assessment of the onlet-oulet cover.

Heat exchanger；Onlet-oulet cover；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0363-03

2014-07-16

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，研究生在讀，研究方向：化工過程機(jī)械，機(jī)械設(shè)計制造。E-mail：137592302@qq.com。