隔膜密封換熱器中隔膜密封盤的應力分析計算

龔 雪，謝禹鈞

（ 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

隔膜密封換熱器中隔膜密封盤的應力分析計算

龔 雪，謝禹鈞

（ 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

主要利用ANSYS有限元軟件對隔膜換熱器的隔膜密封盤進行密封判斷和應力分析，驗證了密封結構的零泄漏密封，同時獲得了密封結構的應力強度分布圖，從圖中得出密封盤位置并不是應力最大的部位，是安全可靠的，可應用在實際工程中。在獲得線性化應力分析結果的基礎上，通過定義路徑對隔膜密封盤進行強度校核，經過分析計算后，獲得了各路徑上的應力值，從而滿足JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》中強度要求。

ANSYS； 隔膜密封盤； 應力分析； 強度校核

換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業普遍應用的一種工藝設備。加氫裝置是石油化工產品加工的關鍵設備，由于設備的操作壓力和溫度均較高，介質屬于易燃、易爆的油氣類，操作條件十分苛刻。而換熱器在加氫裝置中又占有很大的比重，其重要性可見一般。因此換熱器一旦泄漏，后果將十分嚴重，為了使該類高壓換熱器在高效換熱及操作安全可靠的前提下工作，在加氫裝置中已經使用了一種新型的高壓加氫換熱器——隔膜密封式高壓換熱器，在各大煉油廠、化工裝置中的諸多加氫裝置中，它以操作周期長、密封性能可靠等優點而被廣泛應用。

1 隔膜換熱器的基本結構及特點

1.1 隔膜換熱器的結構

隔膜換熱器的基本結構如圖1所示。由外殼部件（主體材料為15CrMoR+堆焊）和管束部件（主體材料為0Cr18Ni10Ti）兩部分組成，其中管束部件與普通高壓換熱器中管束的結構相同，不同的是管板將換熱器內部空間分成管程和殼程兩部分，管箱和殼程筒體結構都是焊接在一起的完整筒體，省去了傳統大法蘭式換熱器在連接管、殼程時的兩片設備法蘭，采用這種結構使設備本身更加緊湊，管、殼程進出口接管盡可能的靠近管板，不僅增加了換熱管有效的換熱長度，而且很好地解決了因設備向大型化和高參數化方向發展帶來的密封等問題[1]。

圖1 隔膜換熱器的基本結構Fig.1 The basic structure of the heat exchanger membrane

1.2 隔膜換熱器的特點

隔膜密封換熱器因其設備端部采用的密封形式而得名。管箱與外界的密封主要依靠隔膜密封盤（耐腐蝕合金Inconel 625，一種具有優良耐蝕性的低碳鎳鉻鉬鈮合金）來實現的。隔膜密封盤[1]是一個直徑稍大于管箱內直徑的金屬薄圓盤，它的邊緣和中心部分稍厚，中間部分是一個很薄的環形區域，當管箱內壓發生波動和熱膨脹產生微量變形時，由于這種結構的密封盤具有一定的彈性來吸收這種波動或變形量，從而保證了密封不受影響。當設備內件全部安裝完成之后，密封盤四周與殼體端部通過焊接作用，在操作過程中實現了管程對外零泄漏,在此需要說明，在任何工況條件下都能保證絕對密封的結構是不存在的，因此應針對不同的使用條件和要求提出不同的合理的泄露量要求，作為密封結構設計的依據。密封盤外側為了能有效的達到密封效果，通常用螺栓與壓蓋共同作用將其頂住來承擔設備的內壓引起的作用力，從而實現密封。

該換熱器殼程的主要密封元件[2]是密封環，通過兩瓣密封環之間的密封焊來實現殼程的密封；管程結構分布在管箱的端部，主要密封元件是隔膜密封盤，由大螺栓緊固的壓蓋來承受內壓所產生的力，通過隔膜密封盤與管箱法蘭密封面之間進行的密封焊來實現密封作用。

基于隔膜密封換熱器的以上結構和特點，而且密封結構具有復雜的裝配關系及幾何形狀，承載后的受力情況復雜，很容易出現大位移、大應變等現象，一旦密封結構的性能出現故障，對整個裝置來說影響是非常嚴重的，因此本文將針對這一現象對隔膜換熱器的密封元件（如圖1左上圓圈位置，該位置的局部視圖如圖2所示）即利用ANSYS有限元軟件對隔膜密封盤進行分析。

2 隔膜密封換熱器有限元建模

2.1 工作條件和結構參數

某隔膜密封換熱器的隔膜密封盤（圖2標記處），材料為耐腐蝕合金Inconel 625，設計溫度230℃，設計壓力7.85 MPa，半徑長730 mm，外部高度12 mm， 由于結構的對稱性，選取了整個殼體的1/32，即隔膜密封盤的圓心角為11.25°，彈性模量193 GPa，泊松比0.3，材料密度8.4 g/cm3，材料屈服強度380 MPa。

2.2 參數化建模及施加載荷

由于結構和載荷滿足對稱性，因此在建模立有限元模型的時候，以隔膜密封盤半徑方向為X軸，對稱軸長度方向為Y軸，建立有限元模型[3]。殼體采用Solid 20node95單元來模擬其實體結構，壓蓋和隔膜密封盤構成一副接觸對，為了獲得完整的應力場，采用4節點12自由度的面 面三維接觸單元TARGE170單元和CONTA174單元來模擬接觸行為。在有限元分析中，約束條件的合理性非常重要，約束條件應正確反映實際工況或盡量與實際工況相近，如果約束條件施加不當，就有可能導致有限元分析求解困難或不能求解，在建立的單元模型中，對殼體和壓蓋橫截面各節點施加軸向位移約束，其它端面節點施加周期對稱約束[4]，劃分網格單元并施壓后的有限元模型如圖3所示。

圖3 密封元件的有限元模型Fig.3 The finite element model of sealing elements

3 結果分析

3.1 密封判斷及應力云圖

密封是防止或切斷介質間傳遞過程的有效方法，影響密封好壞的因素很多，例如螺栓預緊力、壓緊面、及使用工況等，隔膜密封盤在密封界面（壓緊面）上接觸壓力的分布是影響隔膜密封盤性能的重要參數。由力的平衡原理可知，確保密封的充分必要條件是[5]，在隔膜密封盤上下剛體直接接觸的連續界面上，產生的接觸壓應力σ應大于等于內壓強，即σ≥P。

通過有限元軟件ANSYS的后處理功能[6]的分析計算，從圖4中可以看出，最大接觸壓應力值為46.695 MPa，大于試驗壓力7.85 MPa，滿足密封的充分必要條件，因此能夠保證無泄漏密封。

從圖5可以看出，應力的最大值出現在螺栓與螺柱的連接位置處，最大值為342.239 MPa，隔膜密封盤處并不是應力的最大值，但由于該處有接觸行為[7]，所以在設計或者應用時需要特別注意。

圖4 接觸壓應力Fig.4 Contact stress

圖5 應力強度分布云圖Fig.5 Distribution of stress intensity

3.2 隔膜密封盤強度校核

在只考慮壓力載荷的情況下， 按上述定義所求得的基本的應力強度值，根據JB4732-1995標準中強度校核[8]的相關要求，應依次滿足下列各條件對許用極限的規定：

一次總體薄膜應力強度S1的許用極限為Smt；

一次局部薄膜應力強度S2的許用極限為1. 5Smt；

一次薄膜+一次彎曲應力強度S3的許用極限為1. 5Smt；

一次+二次應力強度S4的許用極限為3Smt；

從ANSYS的后處理中提取出各分析路徑上的一次總體薄膜應力、局部薄膜應力強度和一次薄膜加一次彎曲應力強度進行分析，具體分析路徑如圖6所示。

根據相關資料查得隔膜密封盤材料Inconel 625在設計溫度下的應力強度Smt為380 MPa。按照JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》的相關要求進行應力強度校核[9], 即一次總體薄膜應力強度S1的許用極限不得大于1倍的設計應力強度Smt；一次局部薄膜應力強度S2的許用極限不得大于1.5倍的設計應力強度Smt；一次薄膜+一次彎曲應力強度的許用極限不得大于1.5倍的設計應力強度[10]Smt。隔膜密封盤各分析路徑上具體的應力強度評定結果見表1。

圖6 分析路徑圖Fig.6 The path operation

表1 應力強度評定分析結果Table 1 Evaluation results of the analysis of stress intensity

根據表1的應力評定結果，可見滿足JB4732-1 995《鋼制壓力容器分析設計標準》中的強度要求，故該隔膜密封盤強度校核合格。

4 結束語

(1)通過有限元分析，可以有效地預測隔膜密封盤載荷分布，最大接觸壓應力小于試驗壓力，隔膜密封盤能夠實現無泄漏密封，與試驗結果一致，為隔膜密封結構的優化設計提供了依據，具有工程應用價值。

(2)利用ANSYS軟件對隔膜密封盤進行應力分析，可以得到密封盤的應力分布云圖，定義其應力分布情況的路徑；對隔膜密封盤進行強度校核，結果表明強度滿足JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設計標準》相關規定要求，可以安全應用。

(3)在實際工程中，由于各裝置操作條件多種多樣，隔膜密封換熱器的選擇，需要根據具體的工藝條件，包括工作壓力、工作溫度、設備直徑、主要受壓元件材質等工況進行較為詳細的工程計算分析綜合考慮，同時也要考慮到業主的需要，通過對比其各自的經濟性來最終決定。

總之，通過分析表明，利用ANSYS軟件對復雜結構進行應力分析是可行的，是有限元理論和分析設計理論的有機結合，為復雜的結構分析提供了新的方法。因此有限元分析方法必將給化工裝備結構設計帶來新的發展，是化工裝備設計的未來發展方向。

[1] 何平.螺紋鎖緊環換熱器與隔膜密封換熱器的結構分析[J].石油化工設備技術,2009,30（6）:19-23.

[2] 王輝.隔膜密封式高壓換熱器試制技術總結[J].科技風,2008,21,50-51.

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[5] 陳敏,湯文成,張逸芳,等.閥門密封結構中超彈性接觸問題的有限元分析[J].中國機械工程,2007,18（15）:1773-1775.

[6] 秦宇. ANSYS 11.0基礎與實例教程[M].北京:化學工業出版社,2009.

[7] 王偉,蔡永梅,高興軍. 插扣型快開盲板耦合應力分析[J].石油化工設備技術,2009，30(2):35-38.

[8] JB4732-1995鋼制壓力容器分析設計標準[S].北京:中國壓力容器標準化技術委員會,1995.

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Stress Analysis of the Diaphragm Seal Plate of Diaphragm Heat Exchangers

GONG Xue,XIE Yu-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The stress analysis and judging seal situation of diaphragm seal plate of diaphragm heat exchangers were carried out by the ANSYS finite element software. Non-leakage of the seal plate was verified, at the same time the stress intensity distribution of sealing structure was obtained and showed that sealing plate location was not part of the largest stress,so the sealing plate could be applied in the engineering. Then based on the stress analysis, the diaphragm seal strength was checked and the stress of different paths was obtained. The results show that the required strength can be satisfied

ANSYS； Diaphragm seal； Stress analysis；Strength check

TQ 050.2

A

1671-0460（2011）11-1202-03

2011-10-09

龔 雪（1983-），女，遼寧撫順人，助教，研究生在讀，2009年畢業于沈陽農業大學機械制造及其自動化專業，研究方向：工程力學。E-mail：32432580@qq.com。