楊翠娟

摘要：換熱器設(shè)備在化工、石油、食品等多種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。在換熱器制造過(guò)程中，管板與換熱管之間的連接結(jié)構(gòu)和連接質(zhì)量一定程度上決定了換熱器的質(zhì)量?jī)?yōu)劣和使用壽命。由于管板與換熱管連接區(qū)域結(jié)構(gòu)不連續(xù)，從而易產(chǎn)生各種連接質(zhì)量問(wèn)題，因此在危險(xiǎn)工況下對(duì)管板與換熱管連接部位進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核是十分必要的。

關(guān)鍵詞：固定管板式換熱器；管板；應(yīng)力分析；強(qiáng)度評(píng)定

目前，對(duì)換熱器管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析的研究已有較多成果。應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)固定管板式換熱器在機(jī)械載荷和溫度載荷共同作用下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，得出應(yīng)在不同危險(xiǎn)工況下，對(duì)換熱器不同部位進(jìn)行分析和評(píng)定才能保證其安全可靠運(yùn)行的結(jié)論；分析了不同操作工況下管板模型的應(yīng)力場(chǎng)，得出除了筒體上的一次薄膜應(yīng)力起控制作用外，管板的強(qiáng)度控制因素是位于管板與筒體連接圓角過(guò)渡處的一次應(yīng)力加二次應(yīng)力，且最大值發(fā)生在熱載荷和殼程壓力同時(shí)作用的操作工況下的結(jié)論；通過(guò)建立包括殼體、管束在內(nèi)的管板三維實(shí)體有限元模型，將法蘭墊片用等效的均布比壓來(lái)代替，分析了管板在包括開(kāi)工、正常工作和停車等過(guò)程中可能出現(xiàn)的七種瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作工況下的強(qiáng)度狀況。

1管板結(jié)構(gòu)的靜力分析

在反映結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，模擬時(shí)進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：1）不考慮管板與換熱管焊接熱應(yīng)力影響；2）不考慮管板與殼體的連接焊縫；3）不考慮管板兼做法蘭螺栓對(duì)其的受力。選擇管板一側(cè)面與所有換熱管孔面施加450℃的溫度載荷，并在該側(cè)面施加2MPa的壓力載荷；在管板另一側(cè)面施加147℃的溫度載荷和0.6MPa的壓力載荷；沿半徑方向，對(duì)換熱器管板最外邊緣施加全約束。

分析應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，該工況下管板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為46.9MPa，管板最大應(yīng)力發(fā)生外側(cè)管孔局部區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力值并不大。采用管板材料為Q345R，450℃板厚為80mm的鋼板許用應(yīng)力為66MPa。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，最大壓力小于材料的許用應(yīng)力。

分析應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，該工況下管板結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.422×10-4m，出現(xiàn)在管板中心位置，由于管板徑向最外側(cè)受全約束限制，在熱應(yīng)力和壓力的共同作用下，變形從圓心沿徑向方向逐漸變小，變形方向由管板受高溫高壓一側(cè)指向另一側(cè)，即管板會(huì)呈現(xiàn)出鼓脹的形態(tài)。

2結(jié)構(gòu)參數(shù)

某工程中應(yīng)用的固定管板式換熱器管板結(jié)構(gòu)。其筒體內(nèi)徑Di=1800mm，筒體壁厚δ1=12mm。換熱管規(guī)格為108mm×4mm，排列方式為轉(zhuǎn)角正三角形，管間距133mm，共139根。由于管程介質(zhì)為高度危害的腐蝕性介質(zhì)，所以在管板管程界面堆焊一層不銹鋼襯里，堆焊厚度δ=8mm，其中不銹鋼襯里僅起到抵抗腐蝕的作用，不承擔(dān)受力。本文建模忽略換熱管在管程側(cè)的伸出長(zhǎng)度，殼體與管板采用焊接形式形成剛性連接。

3應(yīng)力數(shù)值分析

3.1物理模型及網(wǎng)格劃分

本次研究中主要討論換熱器管板的應(yīng)力分布規(guī)律，忽略開(kāi)孔接管、管箱封頭及支座等?？紤]到換熱管、管板及筒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷特性滿足對(duì)稱條件，因此在Geometry模塊中對(duì)模型采用對(duì)稱簡(jiǎn)化方法取其1/4作為分析模型。另外，管板與管程流體接觸界面堆焊的不銹鋼襯里不承受力，所以建模時(shí)僅取Q345R基體部分厚度。與管板連接的筒體，取實(shí)際管長(zhǎng)一半，這樣就可以消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對(duì)管板處應(yīng)力分布的影響并充分考慮換熱管對(duì)管板的支撐作用。為確保滿足計(jì)算精度的要求，同時(shí)盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，采用ANSYS17.0有限元分析軟件提供的20節(jié)點(diǎn)六面體和10節(jié)點(diǎn)四面體單元為主進(jìn)行網(wǎng)格劃分。不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)采用不同的網(wǎng)格劃分方法，共劃分為240597個(gè)單元。

3.2邊界條件

根據(jù)GB151的規(guī)定，分別對(duì)管板在管程單獨(dú)作用、殼程單獨(dú)作用、管程和溫差同時(shí)作用、殼程和溫差同時(shí)作用、管程和殼程同時(shí)作用以及管程、殼程和溫差同時(shí)作用的多種工況下進(jìn)行加載和計(jì)算。考慮到重力和外壓載荷對(duì)模擬的影響較小可以忽略，因此，在換熱管內(nèi)表面施加管程壓力Pt，外表面施加殼程壓力PS，管板兩側(cè)分別施加管程與殼程壓力，殼體的內(nèi)表面施加殼程壓力，在管板的外側(cè)面施加圓柱面約束。在殼體端面和換熱管端面施加對(duì)稱約束。由于換熱管與殼體材質(zhì)不同且存在溫差，因此在管板上施加熱力工況；由于采用管板兼做法蘭結(jié)構(gòu)，因此在管板各個(gè)螺栓孔中心施加螺栓載荷W。根據(jù)GB150.3—2010的法蘭計(jì)算公式，得到管程壓力作用下螺栓載荷W，為10304N。

4計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力評(píng)定

4.1計(jì)算結(jié)果

管板與筒體連接的部位應(yīng)力分布不均勻，集中現(xiàn)象比較明顯，應(yīng)力變化梯度大。在管程和溫差同時(shí)作用時(shí)，管板的等效應(yīng)力達(dá)到最大值，為σmax=144.67MPa。該應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管板與筒體相連接的部位。六種工況條件下，變形量最大值為0.30mm，出現(xiàn)在管板外邊緣，管板中心部分的變形量可忽略不計(jì)。

4.2應(yīng)力評(píng)定

為了對(duì)換熱器管板的安全性能做出評(píng)定，應(yīng)用線處理法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行當(dāng)量線性化處理，然后進(jìn)行應(yīng)力分類評(píng)定。在不同工況下等效應(yīng)力最大點(diǎn)處選取貫穿管板厚度的路徑作為應(yīng)力處理線，將各應(yīng)力分量沿這條應(yīng)力處理線進(jìn)行處理和評(píng)定。

由JB4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的應(yīng)力分類原則可知，因內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力為一次局部薄膜應(yīng)力PL，因結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q。對(duì)路徑做線性化處理可得薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力，其中一次應(yīng)力值反映結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效和彈性變形程度，結(jié)合二次應(yīng)力保證結(jié)構(gòu)可靠性，峰值應(yīng)力強(qiáng)度反映結(jié)構(gòu)疲勞破壞程度。有溫差作用的工況下均由一次應(yīng)力加二次應(yīng)力評(píng)定，而只有壓力作用的工況下，在管板處由一次彎曲應(yīng)力評(píng)定，在管板與筒體連接處由一次應(yīng)力加二次應(yīng)力評(píng)定。通過(guò)對(duì)不同工況下選取的應(yīng)力處理線進(jìn)行分析可知，六種工況下管板結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求，其中有溫差作用時(shí)應(yīng)力情況復(fù)雜，為危險(xiǎn)工況。

5結(jié)論

通過(guò)有限元分析對(duì)固定管板式換熱器管板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，得出以下結(jié)論：固定管板式換熱器的管板與筒體連接區(qū)域應(yīng)力情況復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯。通過(guò)模擬分析可知，在管程和溫差同時(shí)作用的工況下，管板的等效應(yīng)力達(dá)到最大值，為σmax=144.67MPa。該應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管板與筒體相連接的部位。管板外邊緣部位有較大的變形量，在六種工況條件下，變形量最大為0.30mm，出現(xiàn)在管板外邊緣。由于換熱管對(duì)管板有支撐作用，因此管板中心部分的變形量較小，可忽略不計(jì)。

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（作者單位：石家莊鼎威化工設(shè)備工程有限公司）