艦用冷凝器非對稱布管雙管板結構強度評估方法研究

徐珊珊 張阿漫 謝金鑫 李世銘

哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

艦用冷凝器非對稱布管雙管板結構強度評估方法研究

徐珊珊 張阿漫 謝金鑫 李世銘

哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

隨著工業設備的發展，非對稱布管方式的冷凝器雙管板得到越來越廣泛的應用，而傳統的設計規范不能適用于復雜的雙管板結構強度校核。采用大型通用有限元軟件HyperMesh和ABAQUS建立某非對稱布管雙管板的有限元模型，考慮管程壓力、殼程壓力及其同時作用的工況，采用新的校核方式對非對稱布管的雙管板結構進行強度校核。結果表明，用有限元法對非對稱布管的雙管板結構進行強度校核是高效可行的，且對于雙管板來說，采用新的校核方式比以往的校核方式更為全面、準確。

船用冷凝器；管殼式熱交換器；雙管板；非對稱布管；結構強度；有限元分析

1 引言

管板是冷凝器、管殼式鍋爐等傳熱設備中最重要也是最復雜的承壓部件，通常開有大量規則分布的管孔，它對整臺冷凝器的安全性和經濟性有極其重要的影響。在工作壓力和溫差載荷作用下，管板、殼體、換熱管相互作用，并形成一個復雜的彈性系統。在這個系統中，以管板的承載條件最為惡劣，因此管板的失效較為多見。

以前對管板的研究以及各國的管板設計規范大多采用等效板理論［1］，實現對管板強度與剛度的分析，然而等效板法是基于彈性薄板理論，用于厚管板分析時可能存在較大偏差，實際上除了單管程、單殼程冷凝器管板外，其余各種冷凝器管板都不能滿足這一條件。

在管板的強度分析中，傳統的手段幾乎不可能得到準確的結果。計算機技術的發展使有限元數值分析法在管板研究及設計上的應用成為可能［2］。該方法的最大優點是可以充分模擬管板的真實結構，以及真實的載荷及邊界條件。由于管板的結構復雜，所以目前對艦用冷凝器管板強度及結構優化的研究公開發表的文獻較少，已發表的文獻大多采用單管板的計算模型，且傳熱管束的布置具有軸對稱性，然而由于工業設備各方面性能越來越高的要求，雙管板也成為一種常見的冷凝器形式，且布管區域外輪廓不一定呈軸對稱分布。對于上述結構形式的冷凝器雙管板強度及結構優化的研究公開發表的文獻幾乎沒有。因此，采用什么方法對冷凝器雙管板結構進行強度校核以及結構優化成為值得研究的課題。

本文以某艦用非對稱布管冷凝器雙管板模型為例，引用強大的有限元前處理軟件HyperMesh進行有限元模型的建立，大型有限元通用軟件ABAQUS在以往單管板強度傳統校核方法基礎上，對雙管板模型強度進行更全面、更具體的評估。這對開展冷凝器雙管板的強度研究工作具有實際意義。

2 不規則布管雙管板三維有限元模型

2.1 模型的主要幾何尺寸

模型的主要幾何結構尺寸見表1。

表1 模型的主要幾何結構尺寸（mm）

該冷凝器雙管板的幾何模型 （含殼體法蘭及水室法蘭）如圖1所示。

圖1 冷凝器雙管板幾何模型

2.2 模型簡化

簡化時考慮到以下幾點因素：

1）實際的管板結構中存在很多細小的結構特征，而這些特征往往在有限元計算中對總體結構的分析影響不大，但如實建立則需大量的單元，這會造成計算資源的浪費，且使計算效率大大降低。最好的簡化方法就是忽略這些不必要的細節。

2）管子沿管板厚度用強度脹接連接在管板上，建模時可以認為管子與管板已達一體化程度（材料可以不同），單元式互相連接的不考慮接觸關系。

為了建模和求解方便，忽略管子在管板管箱側的外伸長度；在殼程側，保留有限長度的外伸管子。根據邊緣效應的影響長度公式（式中，R為換熱管直徑，t為換熱管壁厚），管子需保留的外伸長度為ΔL≥10 mm。

2.3 材料特性和單元類型

分析中采用大型有限元前處理軟件Hyper-Mesh對結構的幾何模型進行有限元網格劃分，再導入ABAQUS中定義材料屬性、接觸關系等進一步的處理以形成完整的有限元模型。本研究中，對冷凝器雙管板模型除了管子采用殼單元進行模擬外，其他部分均采取實體單元進行模擬，其主要單元類型為S4、S3、C3D8、C3D6、C3D4。表2為本研究中所使用的單元類型。

表2 單元形式及其在ABAQUS中對應的單元類型

下面給出模型的材料特性。

表3 材料特性

2.4 有限元模型的建立

本研究中，管板上存在大量以某種排列方式規則分布的傳熱管孔，孔心距為22 mm，直徑為16 mm的換熱管壁厚僅為1 mm，這給有限元網格劃分帶來很大困難。為保證網格質量，在這些部位應布置較小的網格尺寸，而這樣做的結果將使網格數目劇增，增加計算時間，甚至無法計算。因此，綜合考慮網格質量、計算效率及計算能力的因素，本研究中采用二維殼單元來模擬換熱管，其他結構均采用六面體模擬。六面體網格劃分需要較多的人為控制，一般情況下首先要形成初始二維單元，然后通過拉伸、掃掠、偏移等方法形成六面體單元。本研究中主要通過拉伸和旋轉方式來生成六面體。因此，二維網格的生成對于本研究中有限元模型的建立尤為重要。

模型建立時的難點在于布管區整體外輪廓無任何規律可言，管孔的具體分布如圖2、圖3所示。

圖2 管板孔分布

圖3 孔具體分布形式

因此在建立二維有限元模型時，按照散熱管的分布規律，將管板布管區離散成若干個周期性分布的模塊結構，對其中的一個模塊進行管板及管子的二維有限元網格劃分，其有限元模型如圖4所示。然后通過HyperMesh中的平移功能，逐步形成整個管板及所有管子的二維有限元模型，如圖7所示。形成二維單元后，再通過平移及拉伸方法（在內外管板上分別都拉伸10層網格，內外管板之間的部分拉伸5層）拉伸得到內外管板及換熱管的有限元模型，如圖5所示。

圖4 單一模塊二維有限元模型

圖5 冷凝器雙管板整體有限元模型

由于內外法蘭都是回轉體，且上面均布一定數量的螺栓孔，因此也采取模塊化劃法。最終完成冷凝器雙管板有限元模型的總節點數為2 892 472，總單元數為2 318 567個。

2.5 工況設置及邊界條件

一般來說，冷凝器在工作時受到的作用力有管程壓力、殼程壓力和溫度載荷3種，這3種載荷工況在實際作業中會以不同的組合方式作用于雙管板上。因此，對管板進行強度校核時，只考慮3種載荷同時作用的正常操作工況是不夠充分的，因為不能保證該工況是最危險的工況，因此需考慮上述3種載荷工況的各種組合方式，本研究中不考慮溫度載荷，因此管程壓力和殼程壓力可以組合成以下3種不同的瞬態操作工況［3］，如表4所示。

表4 各種操作工況的確定

兩層管板之間的空腔間隙上的壓力始終保持為Pθ＝0.1 MPa。

所有工況的邊界約束都是：約束水室法蘭及殼體法蘭所有方向的位移及轉角，即剛性固定［4］。載荷與邊界的布置如圖6所示。

圖6 載荷與邊界條件

3 不規則雙管板的強度評估及方法

按照規范JB4732中規定的應力分析法標準，以往進行單管板強度分析時，由于模型布管區具有軸對稱性，只需在模型上選取幾處典型路徑進行強度分析［5］。而本文中的模型由于布管區外輪廓不具有任何規律，其應力強度分布狀況遠比單管板情況時要復雜得多，因此在對內外管板進行強度分析時，應按照以應力強度云圖響應劇烈的區域為重點，綜合考慮整體結構各個部位的原則，根據換熱管具體的分布方式及布管區域的外輪廓分別在內外管板上各選取若干條路徑進行分析［6］。在本研究中，按照上述的原則，在內外管板上各定義10條路徑，且分別定義兩管板相對的一側為各自的內表面，另外一側為外表面。路徑沿管板的厚度方向，分別從內外管板的外表面指向各自的內表面。內外管板考核路徑分布如圖7所示。

3.1 工況1作用下的強度評估

工況1是管程壓力（5 MPa）單獨作用的載荷工況。在開車先開管程的初始瞬間會出現這種工況。

3.1.1 工況1作用下外管板的強度評估

在管程壓力作用下，分析得到的外管板應力強度分布云圖（圖8）。

從圖中可以看出，最大應力強度發生在布管區與非布管區交界處，最大值為128.6 MPa。最大應力強度點的路徑上的應力強度線性化曲線如圖9所示。

從路徑上的應力強度曲線可以看出，膜應力強度為47.6 MPa，最高總應力強度達到了128.6 MPa，說明彎曲應力強度和薄膜應力強度對應力響應影響都很大。

圖7 內外管板路徑分布

圖8 外管板應力強度分布云圖

圖9 管程壓力單獨作用應力強度分布曲線

圖10 內管板內側應力強度分布云圖

圖11 管程壓力單獨作用應力強度分布曲線

3.1.2 工況1作用下內管板的強度評估

在管程壓力作用下，分析得到外管板應力強度分布云圖（圖10）。

應力強度最大值仍然發生在布管區與非布管區交界處，最大值為186.2 MPa。經過應力強度最大值的路徑上的應力強度線性化曲線如圖11所示。

3.2 工況2作用下的強度評估

工況2是殼程壓力0.024 MPa單獨作用的載荷工況。在開車先開殼程的初始瞬間就會出現這種工況。

3.2.1 工況2作用下外管板的強度評估

在殼程壓力作用下，分析得到外管板應力強度分布圖如圖12所示。

由圖12可看出，最大應力強度發生在管板與法蘭交界處，最大值為0.95 MPa，與工況1下外管板上的最大應力強度相比要小得多，這可能是由殼程壓力過小導致。經過最大應力強度路徑上的應力強度線性化曲線如圖13所示。

3.2.2 工況2作用下內管板的強度評估

通過分析，得到內管板應力強度分布云圖如圖14所示。

圖12 外管板內側應力強度分布云圖

圖14 內管板外側應力強度分布云圖

應力強度最大值仍然發生在布管區與非布管區交界處，最大值為1.2 MPa。經過應力強度最大值的路徑上的應力強度線性化曲線如圖15所示。

3.3 工況3作用下的強度評估

當開車時，同時開啟管程和殼程閥門的瞬間，管板、殼體和法蘭還沒有完全被加熱（或開始先通入的是冷流體），溫差應力不明顯，就會出現這種操作工況。

3.3.1 工況3作用下外管板的強度評估

在管程和殼程壓力同時作用下，分析得到外管板應力強度分布圖如圖16所示。

圖15 殼程壓力單獨作用應力強度分布曲線

圖16 外管板內側應力強度分布云圖

由圖16可看出，工況3下應力強度分布與工況1相似，只是應力強度值稍有增大。最大應力強度也發生在布管區與非布管區交界處，最大值為133.5 MPa，經過最大應力強度路徑上的應力強度線性化曲線如圖17所示。

圖17 管、殼程壓力作用應力強度分布曲線

3.3.2 工況3作用下內管板的強度評估

通過分析，得到內管板應力強度分布云圖如圖18所示。

應力強度最大值仍然發生在布管區與非布管區交界處，最大值為198 MPa，仍然比工況1下的最大值要大。說明對于管板而言，殼程壓力加強了管程壓力的作用。經過應力強度最大值的路徑上的應力強度線性化曲線如圖19所示。

圖18 內管板外側應力強度分布云圖

圖19 管、殼程壓力作用應力強度分布曲線

3.4 評估結果分析與討論

因為雙管板上的應力分布非常復雜，為了對管板進行全面的強度分析，對于每種工況都取了如圖7所示的Path1、Path7、Path13和Path15等4條路徑［7］。在不同的工況下，不同路徑上的應力強度值見表5。

表5 各工況下相同路徑上的應力強度值比較（MPa）

比較各種操作工況下各個路徑上的應力強度值，可以發現最危險的工況是管程壓力和殼程壓力同時作用的工況。這是由于本文中殼程壓力為負壓，在工況3下殼程壓力增強了管程壓力的作用。

4 結論

1）在計算機硬件和軟件的支持下，冷凝器管板分析與設計中采用有限元方法是非常可行且高效的辦法，與傳統的規范設計方法相比，不但可以真實地考慮法蘭、螺栓等邊界結構對管板的影響，且可以充分地分析管板和換熱管以及管板之間的相互作用。尤其可以實現對非對稱布管方式管板的強度分析。這是傳統方式不可能解決的問題。

2）對復雜結構進行有限元模型建立時，可采用強大的有限元前處理軟件HyperMesh對網格進行劃分，充分運用有限元軟件提供的各種模塊，不僅能大大地提高建模的效率，而且可以對網格的質量進行嚴格的控制，從而提高仿真計算精度。

3）在對非對稱布管方式的雙管板進行有限元模擬時，由于換熱管數目眾多，可采用shell單元對換熱管進行模擬，這樣不僅能大大減少網格數量，從而節省計算時間，也能在一定程度上提高計算精度。

4）對非對稱布管方式的雙管板進行強度校核時，不能像以往單管板校核時簡單地選取典型考核路徑，應根據應力云圖，以響應較大的區域為重點，在整個模型上布置考核路徑，綜合分析，這樣才能全面而準確地對非對稱布管方式的雙管板進行強度評估。

［1］ OSWEI F.管板設計中的有效彈性常數概念的進展與綜合［J］.叢敬同，宋偉業，譯.化工設備設計，1990，27（2）：42－51.

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［3］ 劉海亮，于洪杰，徐鴻，等.高壓給水加熱器厚管板的有限元分析（一）——考慮管箱、殼體和換熱管影響的管板有限元實體模型的建立及穩定溫度場分析 ［J］.壓力容器，2004，21（11）：19-22，11.

［4］ 徐定耿，葉維娟.核電站蒸汽發生器管板三維有限元應力分析及其工程應用 ［J］.核科學與工程，1990，10（2）：160-168.

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Evaluation Method for Structural Strength of Asymmetric Double Tube Sheet of Marine Condenser

Xu Shan－shan Zhang A－man Xie Jin－xin Li Shi－ming
School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

With the development of industrial equipment，double tube condenser of asymmetric shells has been widely used，and traditional design standards are not suitable for strength evaluation of such structures.In this paper，a model of an asymmetric double tube is developed by general－purpose commercial finite element analysis software HyperMesh and ABAQUS.Considering the work condition of tube pressure，shell pressure and combination of the two，a new checking method is proposed to evaluate the strength of asymmetric double tube shells.The result shows that the proposed way is efficient and feasible with thorough understanding and improved accuracy.

marine condenser；tube－shell type heat exchanger；double tube sheet；asymmetric tube layout；structure strength；finite element analysis

U664

A

1673－3185（2009）05－38－07

2009-05-04

國家自然科學基金資助項目（50779007）

徐珊珊（1985－），女，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結構動力學。E-mail：xushanshan789＠163.com

張阿漫（1981－），男，副教授，博士。研究方向：船舶與海洋工程結構動力學