基于AnsysW orkbench的換熱管斷裂行為模擬分析

王曉靜，王 磊，郜維棟

（天津大學化工學院，天津 300072）

管殼式換熱器廣泛應用于過程行業中，很多國家都有其相應的設計標準［1-4］。換熱器實際工作時的拉應力對于換熱器的換熱管及管子與管板的連接結構都有重大的影響，而該拉應力的影響因素非常復雜，如換熱管溫度場、壓力場、管板變形等。對于多管程或多殼程的換熱器，由于各程流體溫度不同，換熱管各程的溫度相差非常大，進而造成不同部位的管子拉應力相差很大。近些年來，許多研究人員利用有限元軟件對換熱器的溫度場、壓力場、應力場等進行了模擬：Gao等［5］利用 Ansys對不同殼程的換熱器進行了熱應力分析，得出了換熱管的拉應力及易失效區域。郭崇志等［6］通過 CFD軟件對固定管板式換熱器的結構整體進行了溫度場數值計算，并利用熱-結構耦合分析技術進行了熱應力分析，對換熱器各部分應力水平進行了詳細的分析。

本研究中的管殼式換熱器是某石化企業焦油蒸餾裝置的配套換熱器，該換熱器為雙殼程、單管程，材料為0Cr17Ni12Mo2，殼程流體為蒸餾分離出的輕雜酚油，管程為冷卻水。該裝置在運行了3年后，打開換熱器發現，入口處擋板損壞嚴重，換熱器中換熱管斷裂泄露嚴重，且在靠近熱流體進口處斷裂最多。斷口處裂紋走向呈河流狀，如圖1所示。裂紋在擴展過程中受到管體阻礙，多次更改擴展方向，如圖2箭頭所示。停工維修過程中把泄露的換熱管進行了堵管，圖3中Ⅰ為堵管位置，即斷裂管位置。……