固定管板式換熱器管板的有限元分析

陳慕天，謝禹鈞，張芳瑤

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

固定管板式換熱器管板的有限元分析

陳慕天，謝禹鈞，張芳瑤

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

應用 ANSYS 軟件對固定管板式換熱器管板進行應力分析，得到管程壓力，殼程壓力和熱載荷三個不同工況組合下管板的應力，并根據 JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》對危險截面進行應力強度評定。分析結果表明，管板的強度滿足要求，此文的研究方法為同類型換熱器安全評估提供了參考。

換熱器；ANSYS；管板；強度評定

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規定的指標，以滿足工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設備。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。我國換熱器的設計標準采用 GB151，但隨著設備的大型化及操作的參數化，不斷出現超標的換熱器。對于這些設備可參照JB4732-1995 利用有限元法進行分析計算并評定。

由于殼層流體與管內流體有溫度差，所以換熱器中必定存在溫差應力，這種溫差應力會與換熱器流體壓力造成的機械應力相疊加。當疊加應力較高時會在換熱器的高危部位造成不同形式的失效，例如管子的穩定性或強度破壞、殼體穩定性或強度破壞、、拉脫等。溫差太大時還要考慮使用膨脹節。因此換熱器應力分析應包括不同危險工況并對不同部位進行分析與評定才能保證其安全可靠的運行[1]。個部分。換熱器殼程筒體內直徑為Φ806 mm，計算壁厚為 17 mm；管箱筒體內直徑Φ803 mm，計算壁厚 18.5 mm；換熱管呈三角形布置，管間距 38 mm，外直徑 25 mm，厚度為 2.5 mm，長度 5 000 mm；管板為帶凸肩的整鍛件，結構如圖 1 所示[2]。

圖 1 管板凸肩結構簡圖Fig.1 The structural diagram of the tube-sheet shoulder

1.2 材料的特性

假設換熱器結構中各個元件的材料均為線彈性材料，其材料屬性參數參見表1。

表 1 各部分材料屬性Table 1 Material properties of each component

1 換熱器的尺寸與參數

1.1 換熱器的結構與尺寸

換熱器模型只考慮管板，殼體、管束和管箱四

2 有限元分析模型

2.1 實體模型

由于主要討論管板及其與兩端筒體連接處的應力分布規律，所以忽略開孔接管、封箱接頭及支座等。考慮到結構和載荷的對稱性，沿換熱器縱向對稱面切開取其 1/4 作為分析模型。結構縱向對稱面約束了法向位移，殼程筒體橫截面約束了軸向位移，管箱筒體斷面施加相應的軸向平衡力。與管板連接的筒體，根據圣維南原理，只需要考慮長度L=2.5（R是筒體的平均半徑，t是該筒體的厚度）一段，就可以消除筒體邊緣處軸向應力分布對管板處應力分布的影響[3]。取其長度為 300 mm 的筒體進入計算模型。在本論文機械應力分析單元中，輔助建模單元采用 Shell63 模型（能夠節省計算時間，提高計算精度），應力分析采用 Solid45 模型。管板模型見圖 2 所示。

圖 2 管板有限元模型圖Fig.2 Finite element model diagram of the tube-sheet shoulder

2.2 網格劃分

網格劃分在有限元分析中有十分重要的地位，決定著計算結果的準確性與運算過程的快慢，本文在劃分網格時采用 Solid45 的單元類型，應運掃掠方式進行分網，在管板與筒體連接處以及與換熱管接觸處細化網格，提高計算精度。其他部位采用大網格，節省運算的時間[4]。模型網格劃分如圖 3 所示。共有 85 964 個單元，181 548 個節點。

2.3 載荷與邊界條件

模型的載荷數據非常重要，這些載荷在換熱器工作時會對其各個部分產生應力影響。由于管板所接觸的兩相流體溫度不一樣，會有熱應力存在。管殼程的壓力也會在管板、殼體和管箱中造成一次應力和二次應力，這些壓力和溫度決定了換熱器的工作狀況[4]。本文主要考慮三種載荷，分別是管程壓力，殼程壓力，溫度載荷。管程中的流體是工藝介質，壓力為 2 MPa；殼程中的流體是水介質，壓力為 0.6 MPa。

圖 3 模型的網格劃分Fig.3 Meshing of the model

3 結果分析以及應力評定

3.1 結構應力分析

當管殼程壓力同時作用時整體的應力云圖如圖4所示，可見最大應力強度發生在管板鍛件的管程側過渡圓角處，由此看出在壓力作用下在結果的不連續處會有很大的應力產生，這種高應力狀態范圍不是很大，只是存在于很短的一段距離內，應力由最高值向兩邊逐漸減小。應力最大值為 84 MPa。其他可能出現較大應力的位置是管板鍛件的殼程側過渡圓角處和管板的主體位置上，應力最大值為 42 MPa。由于管程壓力和殼程壓力在換熱管上所產生的軸向力是反向的，所以在圖中藍色區域可以看到換熱管的應力值非常低，只是在管板和換熱管連接的部分稍高一點，這是因為有應力集中的作用。

圖 4 管殼程壓力同時作用時的應力強度云圖Fig.4 Stress intensity cloud under the tube side and shell side pressure simultaneously applied

3.2 應力評定

為了對換熱器管板的安全性能作出評定，需找出管板的危險截面。如圖所示選取管板上應力集中的地方作為應力評定的路徑，即選取管板與管箱的過渡圓角處作為 path1；管板與殼體的過渡圓角處為path2；管板上開孔為 path3，作為應力評定路徑。path1 和 path2 以內壁為起點，path3 以管程側表面為起點。如圖 5 所示[5]。

圖 5 應力評定路徑Fig.5 The stress evaluation path

換熱器工作時可能會存在以下的工況：考慮溫差應力和不考慮溫差應力，管程與殼程壓力同時作用與單獨作用等等。按照上述有限元方法與分析過程，對上述各種工況組合分別進行計算。應該值得注意的是 ANSYS 所提供的分析結果雖給出了峰值應力，彎曲應力，薄膜應力及總應力等，但這些僅僅是線性化的結果，用于分析設計的應力評定時還必須根據結構部位與載荷的性質，參照 JB4732-95確定某項應力強度具體屬于哪一類應力強度[6]。按照上文所確定的評定路徑對每一個工況下的應力進行評定，其結果如表2所示。

4 結 語

利用有限元軟件 ANSYS 對換熱器管板進行應力分析，不僅快捷方便，而且精度高。根據壓力容器分析設計標準 JB4732-95 對所得數據進行評定，其計算結果表明換熱器上各部件鈞滿足校核條件，且安全系數大于 1.23，所以本次評估的換熱器安全可靠，為同類型換熱器安全評估提供了參考。

表 2 應力評定結果Table 2 Stress evaluation results

［1］李子林，盛斌，臧國強．固定管板式換熱器有限元分析及應力評定[J] .化工裝備技術,2013，34(1)：34-37.

［2］胡巖，孫中寧.折流板結構對管殼式換熱器殼程流動與傳熱的影響[J].應用科技，2007，9（30）：14-18

［3］陳滿儒，孫文迪．基于 ANSYS 的固定管板式換熱器的熱應力分析及評定[J] .中國制造業信息化，2011，40(5)：45-48．

［4］劉天豐，非對稱管殼式換熱器結構分析及改進中的問題研究[D].杭州：浙江大學,2005.

［5］劉俊明，陳緒．高壓厚管板的有限元分析計算[J].壓力容器，1997，14(2)：25-29．

［6］吳德勝，薛明德.固定管板式換熱器溫度場的分析方法[J].核動力工程，1998(10)：402-407．

［7］全國壓力容器標準化技術委員會. GB151-1999,管殼式換熱器 [S].

［8］全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732-95,鋼制壓力容器-分析設計標準[S].

Finite Element Analysis of the Tube Sheet in a Fixed Tube Sheet Heat Exchanger

CHEN Mu-Tian，XIE Yu-jun，ZHANG fang-yao
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The stress of tube-sheet heat exchanger was analyzed by using the ANASYS software, the stresses of tube-sheet under three different load conditions of tube side pressure, shell pressure and thermal load were obtained, respectively. According to the JB4732-95 Steel pressure vessels-the standard of analysis design, the strength of the dangerous sections was assessed. The analysis results indicated that the intensity requirement of the tube-sheet was satisfied. The paper can provide the reference for the safety assessment of the heat exchanger in service.

Heat exchanger; ANSYS; Tube-sheet; Strength assessment

TQ 050

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1227-03

2013-11-19

陳慕天（1989-），男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：設備安全。E-mail：cmtupup@163.com。

謝禹鈞（1960-），男，教授，博士研究生，研究方向：壓力容器與管道失效風險分析及剩余壽命評估。