基于應力路徑的換熱器安全評定應用研究

祝明威 張春吉 張 彬 趙偉剛

(1.吉林化工學院機電工程學院；2.中國石油吉林石化公司電石廠；3.吉林機電工程學校；4.西安航天動力研究所)

基于應力路徑的換熱器安全評定應用研究

祝明威*1張春吉2張 彬3趙偉剛4

(1.吉林化工學院機電工程學院；2.中國石油吉林石化公司電石廠；3.吉林機電工程學校；4.西安航天動力研究所)

從應力路徑的角度出發對換熱器進行合理的安全評定，考慮換熱器設計組裝不同應力路徑線彈性變形程度一致性的原則，從安全評價核算系數出發，定義了安全評價系數，對核算系數的關聯性做了有效分析，對換熱器潛在失效應力路徑做出了有效合理評價。

換熱器 安全評定 應力路徑 變形程度 關聯分析

換熱器在煉油、化工裝置中占總設備數量的40%左右，占總投資的30%～45%，隨著節能技術的發展，其應用領域不斷擴大，其中管殼式換熱器在換熱設備中使用量最大，因此對它的研究具有很大意義[1]。換熱器在使用過程中常處于封閉式高溫和多相流體的工作狀態，它的安全評定問題就顯得格外重要。筆者以常用的U形管換熱器為例，利用ANSYS分析軟件，應用應力路徑方法，研究了換熱器使用過程中應力失效的安全評定標準問題。

1 應力路徑的確認及研究方案

應力路徑是在載荷作用下，一點應力狀態的改變過程可以用對應的應力點在空間的運動軌跡來描述，即應力點在應力空間的運動軌跡。它原是定性分析土體力學特性的重要手段[2]。

U形管式換熱器是由一塊管板和多根U形管(即管束,由直管和半圓管組成的對稱形式[3])組成的，它結構簡單，承壓好，價格便宜，適用于熱應力大、管程不易結垢的場合，特別適用于殼程介質易結垢而需要清洗的高溫、高壓、腐蝕性大的場合，廣泛應用于化工、供熱、機械及醫藥等行業[4]。

圖1為某給排水車間使用的U形管式換熱器，存在換熱器筒體法蘭滴漏頻次高、小修周期短的問題，嚴重影響著工藝生產的穩定性，也構成安全生產的隱患。造成筒體法蘭滴漏的原因主要是封頭、法蘭、筒體三者應力撓變，因而劃分換熱器應力路徑為封頭(P1)、管板與殼體(P2)、殼體法蘭連接(P3)3個位置的應力路徑。

圖1 換熱器的路徑劃分

該換熱器的筒體、封頭材料為Q245R，管板為Q345R，換熱管為不銹鋼[5]，工藝參數為(管程/殼程)：

進口溫度 115/185℃

出口溫度 70/80℃

設計壓力 1.0/1.0MPa

換熱器工作時封頭、管板與殼體、殼體的應力變形均包括線性變形和角變形，所以換熱器工作時，上述3個路徑上的應力同時發生，但由于處于不協調變形狀態，所以常常導致滴漏。為清晰分析3個應力路徑的影響，筆者按以下步驟，用實際工況下尋求應力路徑峰值的方法，來研究應力路徑的應力狀態：

a. 分析實際換熱器裝配和使用時封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接的約束情況；

b. 在實際工況下(即管、殼程壓力以及溫度載荷的共同作用下)，對封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接進行有限元分析；

c. 對每個應力路徑的應力狀態進行分析；

d. 基于分析結論論證換熱器使用安全性的評定方法和指標。

2 實施過程

2.1 約束分析

換熱器是軸對稱的，所以建立1/2分析模型。首先在對稱面上施加對稱約束，即限定了整體沿y方向的位移，如圖2所示。一端支座限制x、y、z方向上的線性位移，在支座橫截面上選取一點約束其x方向的位移，另一端支座處限制x、y方向的位移。考慮到折流板對換熱管的支撐作用，在換熱管除去與管板連接的節點外的所有節點上，約束x、y兩個自由度。

圖2 應力分析路徑坐標

2.2 有限單元體分析

使用ANSYS軟件，分別取封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接的分析單元，采用SOLID185單元(熱分析采用SOLID70單元)劃分網格，如圖3所示。

圖3 換熱器不同應力路徑分析

根據安全判據，換熱器封頭與進出口隔板連接處、管板與筒體連接處需要校核局部薄膜應力強度SⅡ，均勻殼體處需校核總體薄膜應力強度SⅠ和一次總體薄膜應力強度加一次彎曲應力強度的應力強度SⅢ[6，7]。

換熱器所用Q245材料的許用應力[σ]為：

[σ]=σb/S

式中S——安全系數；

σb——斷裂應力。

薄膜應力σmax為：

式中D——容器平均直徑(中徑)；

K——常數；

p——容器設計壓力；

δ——容器壁厚。

一次彎曲應力σMmax為：

現定義σmax/[σ]=qm為薄膜應力安全評價核算系數(表1)；σMmax/[σ]=qM為彎曲應力安全評價核算系數(表2)。旨在對裝備使用受力狀態予以相關性評價，即構件同類核算系數相近，各裝配件的線彈性變形程度才相近。

表1 單路徑qm評定

表2 單路徑qM評定

各路徑的線彈性變形比例相等或相近，設備才會處于穩定運行狀態。應用ANSYS軟件，對3個路徑的單路徑薄膜應力和一次彎曲應力進行分析，如圖4、5所示。

a. P1 b. P2 c. P3

a. P1 b. P2 c. P3

3 安全評定方法與指標

定義Sa為安全評價系數，主要靠薄膜應力來承載的壓力容器，Sa=qM/qm，應取較小值。當Sa≥1時，容器在薄膜應力以外還要承受其他較大載荷，不利于容器的疲勞使用。本換熱器不同應力路徑安全評價見表3，可以看出，路徑P2的Sa值最大，即在使用中殼體與管板是最容易發生失效的部位。

表3 不同應力路徑安全評價

定義總體評價函數為：

F(Sa1,Sa2,Sa3,…，San,Sam)={[(Sa1-Sam)2+(Sa2-Sam)2+(Sa3-Sam)2+…+(San-Sam)2] /n}1/2→min

即靠薄膜應力來承載的壓力容器，其各構件安全評價系數的標準差取值越小，設備安全性越好。

4 結束語

在換熱器設計中，按照標準對換熱器的封頭、筒體和筒體連接法蘭進行獨立設計，能滿足技術指標要求；但在換熱器組裝和裝配后，在相同工況下，換熱器不同應力路徑上的應力撓變存在不協調現象，造成使用的不穩定性和不安全性，按照協調變形的原則，本文對換熱器的使用安全性給出了評價方法，對換熱器的設計、維修、安全評定以及相關標準的修訂有一定的指導意義。

[1] 董其伍，劉敏珊，蘇立建.管殼式換熱器研究進展[J].化工設備與管道，2006,43(6):18～22.

[2] 歐方軍，程玉梅.應力路徑及初始固結條件對強度的影響[J].上海地質，2002，(1)：31～33.

[3] 錢頌文，吳家聲，馬小明，等.U形管式換熱器管束固有頻率研究[J].華南理工大學學報(自然科學版)，1997,25(2)：12～20.

[4] 林玉娟，楊達，馮永利.應用SolidWorks進行U形管式換熱器管板的應力分析[J].科學技術與工程，2010，10(3)：777～780.

[5] GB 150-2011，鋼制壓力容器[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2012.

[6] JB 4732-1995(2005確認)，鋼制壓力容器-分析設計標準[S].北京：中華人民共和國國家發展和改革委員會，2005.

[7] 陸明萬，陳勇，李建國.分析設計中應力分類的一次結構法[J].核動力工程，1998,19(4)：330～337.

ApplicationStudyofHeatExchangerSafetyAssessmentBasedonStressPath

ZHU Ming-wei1,ZHANG Chun-ji2,ZHANG Bin3, ZHAO Wei-gang4

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin132022,China;
2.CalciumCarbideFactory,PetroChinaJilinPetrochemicalCompany,Jilin132021,China; 3.JilinMechanicalandElectricalEngineeringSchool,Jilin132101,China; 4.Xi’anAerospacePropulsionInstitute,Xi’an710100,China)

Starting with the angle of stress path, the safety assessment for heat exchangers was implemented; Considering the consistency of linear deformation percentage of different stress paths, the safety index was defined and its correlation analysis was implemented, including the effective assessment of the stress path of the heat exchanger’s potential failure.

heat exchanger, safety assessment, stress path, deformation degree, correlation analysis

*祝明威，男，1977年6月生，講師。吉林省吉林市，132022。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0476-04

2015-10-17，

2016-01-08)