葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，彭紅宇

（武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205）

某型號換熱器回程水室應力分析及強度校核

葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，彭紅宇

（武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205）

研究了某型號管殼式換熱器的回程水室，運用有限元軟件Ansys分析了該回程水室在穩(wěn)態(tài)下的溫度場及其在溫度載荷與壓力載荷共同作用下的應力場。根據(jù)ASME規(guī)范和相關(guān)判據(jù)對回程水室關(guān)鍵部位進行了應力分析及安全評定。計算結(jié)果表明，該回程水室的設計在安全范圍之內(nèi)，符合規(guī)范要求，這為回程水室的工程設計提供了理論基礎(chǔ)。

換熱器；回程水室；有限元；應力分析；強度評定

在化工、石油及能源等行業(yè)相當廣泛應用的單元設備是換熱器。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達到96%。據(jù)資料收集，現(xiàn)代化工中所用換熱器的投資大約占設備總投資的30%，而在煉油廠中換熱器占全部工藝設備大約40%的分量。換熱器不僅能夠合理調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的溫度以滿足工藝流程的需要,也是余熱廢熱回收利用的有效裝置[1]。所以在工業(yè)生產(chǎn)中,如何準確的設計出結(jié)構(gòu)性能好的換熱器尤為突出，那么相對應的檢驗方法也必須符合實際要求。本文利用ANSYS軟件對管殼式換熱器回程水室進行了應力分析和強度評定。

1 結(jié)構(gòu)模擬

1.1 計算網(wǎng)格模型

考慮到結(jié)構(gòu)的1/4對稱性，為減少計算機開銷，選擇1/4模型進行分析計算。本文有限元結(jié)構(gòu)分析采用SOLID95單元（對應熱分析單元為SOLID90），SOLID95是三維八節(jié)點實體單元。該單元既能保證精度又能允許使用不規(guī)則的形狀，適用于曲線邊界的建模，具體體現(xiàn)在塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變，并且能夠很好的滿足各項性能(圖1)。物性參數(shù)如表1所示。

圖1 計算網(wǎng)格模型Fig.1 Calculation and mesh model

經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，利用ANSYS統(tǒng)計出該模型共有單元1 223 538個，217 708個節(jié)點。經(jīng)單元檢查，無畸形單元。

1.2 施加載荷及約束

結(jié)構(gòu)承受的載荷是以下獨立載荷的組合：作用于殼側(cè)表面（包括回程水室與殼側(cè)氣體接觸表面）的殼程外界氣體壓力，作用于回程水室外表面的管程流體壓力，作用于回程水室流體壓力和殼程氣體壓力，作用于管板和水室之間的螺栓上所施加的均布拉力，作用于與墊片接觸面上所施加的均布墊片壓力，以及熱械耦合應力所產(chǎn)生的溫度載荷（回程水室側(cè)流體溫度與流體溫度）。本結(jié)構(gòu)應力分析已經(jīng)忽略了重力載荷的影響，結(jié)構(gòu)所受載荷如圖2所示。

表1 材料物理參數(shù)Table 1 Material physical data

圖2 回程水室蓋板載荷示意圖Fig.2 Onlet-oulet cover load schematic

圖2 中，F(xiàn)2是螺栓所受的預緊力，P1是換熱器流質(zhì)的壓力，P2是外界氣壓，T1為換熱管內(nèi)流質(zhì)溫度；T2為殼程氣流質(zhì)溫度。

用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)部件的影響的傳熱稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。通常利用穩(wěn)態(tài)熱分析來確定溫度分布，并且有限元計算用于確定由熱載荷引起的溫度、熱梯度、壓力等參數(shù)。

由此可見，本文將主要從穩(wěn)態(tài)的對流傳熱和熱傳導這兩種方式對模型進行分析熱分析。

2 應力分析及強度校核

2.1 溫度場分析

按照前文所說的加載方式加入溫度載荷以后求解得到溫度場分布如圖3所示。

由圖可以知道，溫度最高為回程水室里面直接和流質(zhì)接觸部分，溫度為100 ℃，符合實際工況。

2.2 壓力場分析

由于結(jié)構(gòu)分析包含熱應力分析，因此采用回程水室的結(jié)構(gòu)有限元模型為熱結(jié)構(gòu)有限元模型。單元類型設置為為SOLID95單元。施加溫度載荷以及機械載荷后，結(jié)果如圖4所示。

圖 3 回程水室蓋板溫度載荷Fig.3 Onlet-oulet cover temperature load

圖4 進出水室蓋板等值應力強度云圖Fig.4 Onlet-oulet cover equivalence stress intensity arrangement map

通過觀察熱力耦合后的分析結(jié)果，我們可以知道當回程水室處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下時，其最大應力強度值為218.4 MPa。

2.3 壓力容器應力強度評定方法

由于應力強度計算方法分為點處理法和線處理法[2]。

（1） 點處理法是將容器各個計算部位，按各自一個點的應力強度與分析設計規(guī)范規(guī)定的應力分類的強度條件進行比較判斷。但是采用點處理這種方法有局限性，如果所選點的應力能夠符合該區(qū)域的應力分布規(guī)律，那么就能有效地對該區(qū)域進行強度評價，當結(jié)構(gòu)比較復雜，應力分布同樣十分復雜時，憑借一個點的應力強度就很難代表整個區(qū)域的應力分布狀況。

（2）線處理的步驟為：將沿線的各應力分量（計算所得結(jié)果）按二次曲線的分布規(guī)律利用最小二乘法進行擬合，得出應力分布曲線[3]：

式中：

t — 處理線上的坐標，t=Lx/L；

L— 處理線全長；

Lx— 處理線上任一點的坐標；

Ci— 擬合曲線常數(shù)。

對上式所求得的應力進行均勻化和當量線性化處理，得到均勻化處理的平均應力分布函數(shù)，其值域?qū)儆诒∧Ψ秶渚€性部分應力屬于彎曲應力范圍，其余非線性部分為峰值應力范圍[4]。

2.4 回程水室的應力強度分析

根據(jù)應力強度計算結(jié)果，在6處應力集中區(qū)域設置路徑[5]，路徑方向由內(nèi)至外，回程水室不同路徑薄膜應力即薄膜應力加薄膜彎曲應力線性化結(jié)果如圖5,6所示。

圖 5 進出水室蓋板評定路徑示意圖Fig.5 Onlet-oulet cover evaluation path schematic

圖 6 路徑1-6中薄膜應力及薄膜應力加薄膜彎曲應力的分布云圖Fig.6 The distribution of membrane stress and membrane stress plus membrane bend stress in path1-6

評定結(jié)果如表2所示。

表2 進出水室蓋板應力強度評定Table 2 Onlet-oulet cover stress intensity evaluation

3 結(jié) 論

本文運用ANSYS結(jié)構(gòu)計算軟件對熱力耦合作用下管殼式換熱器的回程水室的應力場進行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[7]規(guī)范進行了強度校核。計算結(jié)果表明，管殼式換熱器回程水室的強度滿足安全要求。文中分析較客觀地反應了回程水室的受力情況，能夠為相類似的換熱器原件的設計和校核提供理論依據(jù)。

［1］ 董其伍,劉敏珊.換熱設備CAD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

［2］ 欒春遠,壓力容器ANSYS分析與強度計算[M].北京:科學出版社,2008.

［3］蓋超會, 高興. 管殼式換熱器部件的應力分析及強度校核[J]. 當代化工, 2014, 43(3): 429-431.

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［5］鄭小濤,喻九陽.異型管板應力分析及強度校核[J].石油化工設備,2013,42(3):33-36.

［6］ 王定標,魏新利.壓力容器切向開孔接管區(qū)的應力分析設計[J].石油機械,2006,34(4):5-7.

［7］ASME鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際規(guī)范Ⅱ材料[S].北京:中國石化出版社,2007.

Stress Analysis and Strength Check of Onlet-oulet Cover of a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng， ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，PENG Hong-yu
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The onlet-oulet cover of a shell and tube heat exchanger was studied by finite element method. The temperature field of the onlet-oulet cover under the steady state condition was analyzed, and the stress field of the onlet-oulet cover under combination action of temperature load and pressure load was calculated. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the onlet-oulet cover were carried out. The results show that the design of onlet-oulet cover is in a safe range, and can meet the requirements of the specification. The article can also provide a reliable basis for engineering design and safety assessment of the onlet-oulet cover.

Heat exchanger；Onlet-oulet cover；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0363-03

2014-07-16

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，研究生在讀，研究方向：化工過程機械，機械設計制造。E-mail：137592302@qq.com。