固定管板式換熱器耦合場有限元分析

唐麗別超 張亞新

（新疆大學化學化工學院)

固定管板式換熱器耦合場有限元分析

唐麗*別超 張亞新

（新疆大學化學化工學院)

對一固定管板式換熱器采用APDL語言三維整體建模，通過ANSYS有限元法模擬穩態溫度場與熱應力場，并結合壓力載荷分析了在耦合場作用下管板和管板周邊結構的應力分布以及換熱管拉脫力的大小，最后進行了強度校核，得到幾種路徑上的應力變化規律。

管板式換熱器耦合場溫度應力ANSYS

換熱器作為進行熱量交換的典型單元操作設備，廣泛應用于化工、石油、輕工、食品、醫藥、動力、核能、電站以及空調、制冷等許多行業[1]。典型的固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板和管子等零部件組成，其結構如圖1[2]所示。

固定管板式換熱器兩端管板，采用焊接方式與殼體連接固定。由于換熱器在穩定工作狀態下要受到溫度載荷以及壓力載荷的共同作用，而且結構中存在多種多樣的非線性變形，采用常規彈性薄膜理論對管板進行應力分析存在很大的局限性。而ANSYS軟件提供了強大的非線性處理功能以及耦合場分析方法。大量的工程分析實例證明，ANSYS軟件對于上述問題有著良好的解析精度[3]，因而被廣泛使用。

圖1 固定管板式換熱器的典型結構

1 問題描述和分析說明

本文以某石化公司硫磺車間大型固定管板式換熱器為研究對象。該換熱器于2009年9月出現故障，后經檢修組檢查發現于管板邊緣處出現裂縫，并且有少量換熱管脫落。該換熱器的模型尺寸如表1所示。

1.1 模型分析

本文采用全實體建模，模型的特點是能真實模擬換熱器的各部件，不做任何當量簡化以及連接處理。這種方法能準確計算應力分布值，并且能使溫度場與應力場很好地耦合在一起。在本文機械應力分析單元中，輔助建模單元采用SHELL 63模型，應力分析單元采用SOLID 45模型，溫度場輔助建模單元采用SHELL 57模型，熱分析的體單元采用SOLID 70模型。其中，計算單元SOLID 45與SOLID 70均為8節點六面體結構，二者能相互轉化，并且具有退化功能，便于生成復雜的網格。由于采用實體建模，模型較為復雜，采用APDL語言建立模型[4]。

表1 換熱器主要尺寸

1.2 材料特性

在換熱器使用過程中，不僅承受著冷熱介質溫差載荷以及壓力載荷的作用，還要承受各種波動載荷以及腐蝕性介質的作用，因此換熱器材料的選擇尤為重要。本文研究對象的各部件材料力學和熱力學屬性如表2和表3所示。

表2 材料力學屬性

表3 材料熱力學屬性

1.3 有限元模型

本文采用APDL語言編程，建模過程和網格劃分如下：

（1）首先建立管板1/4表面，然后在平面上利用循環命令產生以換熱管外徑為直徑的圓平面，進行布爾減運算后生成管板下表面。

（2）設定剖分參數，將下表面進行網格劃分后軸向拉伸，生成管板。用同樣的方法生成換熱管管束及網格單元。管板有限元模型如圖2所示。

圖2 管板有限元模型

（3）設定關鍵點，分別產生管箱、凸肩管箱側圓角、凸肩、凸肩殼程側圓角及殼體0°剖面，設置相關網格剖分參數，進行網格劃分，最后將各個剖面旋轉90°產生相應的體單元。

（4）設置保溫層相關參數，利用上述方法生成保溫層單元。

整個模型節點數為86 615，全部單元數為4 929 611。整體模型網格如圖3所示。

圖3 整體模型網格

1.4 載荷與約束條件

換熱器在實際操作過程中所涉及的載荷類型有：壓力、溫度、重力、風載荷、地震載荷、液柱靜壓力等。考慮到后面四種載荷在換熱器實際操作過程中影響很小，可以忽略不計。本文換熱器的載荷主要有以下三種：

（1）管程溫度Tt與壓力Pt，Tt=250℃，Pt=2.2 MPa;

（2）殼程溫度Ts與壓力Ps，Ts=160℃，Ps=0.5 MPa;

（3）環境溫度Tatm與壓力Patm，取相應值為Tatm=20℃，Patm=0.1 MPa。

約束條件：

（1）法蘭結構對稱縱向面約束法向位移;

（2）殼程筒體橫截面約束軸向位移;

（3）管箱筒體斷面施加相應的軸向平衡力。

2 計算結果分析

2.1 溫度場分析

通過計算得到溫度場溫度分布如圖4所示。結合本文所計算出的管板溫度場分布曲線，在施加對流邊界的條件下，驗證了如下管板溫度場分布規律：在管板非布管區，管板沿厚度方向的溫度通過類似于線性變化由接近于管程流體的溫度降低至接近于管程流體的溫度；在管板布管區，管板大部分厚度上的溫度接近于管程流體溫度，只在考慮殼程流體一層很薄的區域內管板溫度接近于殼程流體溫度。管板表層溫度與流體溫度的差異程度取決于對流傳熱系數，對流傳熱系數越小，管板表層溫度與流體溫度的差值越大。管板溫度分布如圖5所示。

圖4 換熱器溫度場分布

2.2 結構應力分析

由于本文涉及的耦合分析為間接耦合，進行結構分析時只需將溫度場分析所得的節點溫度作為體載荷加載到每個節點[5]，給出所有的力學邊界條件即可計算。計算得到的整個換熱器的熱應力分布如圖6所示。由圖6可知，最大應力發生在兩種不同材料的堆焊層處，最大值達到250.95 MPa。

圖5 換熱器管板溫度分布

圖6 耦合場應力分布

為了對管板安全性能作一定的評定，需要找出管板應力較大的危險截面。下面選擇幾條典型的路徑進行必要的強度分析與溫度分析比較。分析路徑如圖7所示，其中路徑3為最大應力發生路徑。

圖7 應力分析路徑

2.3 溫度載荷的影響

通過有限元計算，可以得到在耦合場載荷影響下溫度載荷的作用，這也能補充對耦合場的分析。

由圖8可知，有溫度載荷的情況下，管板連接區域的第三強度應力值和第四強度應力值增幅巨大，最大增幅分別為2.44倍和2.84倍，各項應力值變化規律大體相似，第三強度應力值均小于第四強度應力值。溫度載荷對管板布管區的影響很復雜，產生很大的峰值應力，使得路徑5上的應力值波動較大，如圖9所示。

圖8 路徑3上機械場與耦合場應力對比

圖9 路徑5上機械場與耦合場應力對比

2.4 強度校核

按照上述路徑定義的方法（圖7），將各路徑上各應力作線性化處理，所得有關數據如表4所示。

表4 穩態操作下各路徑上應力強度校核（MPa）

由表4可知，路徑2與路徑3下的σm+b都不滿足強度要求。而各路徑上很高的峰值應力雖然具有很強的局限性，不會引起明顯的形變，但是也不能忽略其造成的疲勞損害(疲勞分析本文暫不討論)。根據文獻[6]可知，此時許用拉脫力為Fm=127 170 N。實際最大拉脫力出現在距離應力值最大區域附近(X=394 mm，Y=150 mm)，通過有限元計算最大拉脫力Fmax=153 075 N≥Fm，該工況下的換熱管拉脫力也不滿足要求。

3 結論

（1）對換熱器溫度場分析后發現，管板布管區從管程側表面到殼程側表面其溫度分布從248.75℃變化到187℃，溫度介于管程介質與殼程介質之間，并且都存在著較大的溫度梯度。管程側溫度對管板的影響較大，其溫度在248.7～230.1℃之間，殼程側只有較薄的一層金屬有溫度梯度。該分布規律與美國ASME規范中的管板開孔區中只有在靠近管板表面（殼程側）的一薄層金屬中存在較大的溫度梯度即“表皮效應”的結果相吻合。在管板非布管區，溫度的變化梯度則相對較小。

（2）對換熱器耦合場分析比較發現，對于管程操作溫度高于殼程溫度的工況，應力較大區域在管板連接過渡區域，但是受溫度梯度的影響，應力最大值并不發生在管箱筒體壁表面，而是在筒體壁內部；有溫度載荷的情況下，管板連接區域的第三強度應力值和第四強度應力值增幅巨大；巨大峰值應力是產生換熱管較大拉脫力的主要原因，最大應力發生在管板內部連接處，最大值達到250.95 MPa。

（3）對該換熱器進行強度校核后發現，路徑2與路徑3下的σm+b都不滿足強度要求，該工況下的換熱管拉脫力也不滿足要求。這與該換熱器失效特征極為吻合。初步可以斷定，該設備尺寸不適合該石化公司工藝操作條件，需對其結構進行進一步的改進。本文的分析方法為換熱器耦合分析提供了可行的操作方法。

[1] 李志義，喻健良，劉志軍.過程機械[M].北京:：化學工業出版社，2008：45.

[2] 王志文.化工容器設計[M].北京:化學工業出版社,1998：40.

[3] 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].第2版.北京:中國水利水電出版社，2005：142-144.

[4] 龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析[M].北京：機械工業出版社，2004：29-225.

[5] 博嘉科技.有限元分析軟件——ANSYS融會與貫通[M].北京：中國水利水電出版社，2002：11.

[6] 朱瑞林.固定管板列管換熱器的力學分析[J].湘潭大學自然科學學報，1999(1)：97-100.

Couple-field's FEM Analysis of Fixed Tube-sheet Heat Exchanger

Tang Li Bie Chao Zhang Yaxin

Based on ANSYS software,the steady-state temperature field and thermal stress field of the tubesheet heat exchanger were simulated by APDL language.Combined with the pressure loading,the stress distributions of the tube-sheet and around the tube-sheet were analyzed under the couple-field,so was the pull-forces of the pipes.Finally,the intensity verification was carried out and the regulations of all kinds of stresses on different paths were obtained.

Tube-sheet heat exchanger；Couple-field;Temperature;Stress;ANSYS

TQ 051.5

*唐麗，女，1985年生，碩士研究生。烏魯木齊市，830046。

2011-11-11）