熱管換熱器管板熱應力分析

鹽城工業職業技術學院 許志鵬

熱管換熱器管板熱應力分析

鹽城工業職業技術學院 許志鵬

熱管換熱器存在著一定溫度載荷，溫度載荷的熱應力是需要分析的，需要比較精確地對熱管換熱器管板溫度場分布規律做分析，以及計算由溫度載荷導致的溫度載荷應力分布。

溫度載荷；熱應力；應力分布

1 熱應力分析方式選擇

在本課題中，由于節點溫度未知，所以采用工程中常用的方法——間接法。間接法：先進行熱分析，然后將求解得到的節點溫度作為體載荷直接施加到結構分析中去。當熱與結構耦合是雙向時，又因為處在交叉影響中，可以采用直接法。本文綜合考慮，采用間接法相對而言最適合。

2 熱應力分析載荷及其邊界條件分析

熱應力分析中的載荷為溫度載荷，可以將節點溫度作為體載荷施加，在加載溫度載荷時，需要考慮其邊界約束條件，本課題根據實際情況，因為在殼體與管板的連接處，采用的是焊接連接，在管板的邊側，其自由度需要全部約束，限制其位移量。

3 熱應力分析計算模擬

定義好參數與約束，施加載荷，運行程序，得到溫度載荷引起的熱應力強度分布云圖如圖1所示。

圖1 熱應力分布云圖

由圖1中的熱應力云圖可以看出，由溫度載荷引起的熱應力強度最大值為32MPa，最大應力發生在管板與殼體連接的地方。在整個管板的管陣列內，其應力分布比較平均，分布梯度比較平緩。

分析原因：這是由于管板與殼體在連接處存在較大的溫度梯度變化，將管板與殼體連接處約束全部限制，限制其位移量，其約束對管板形成局部的應力集中等原因，導致其熱應力較為集中。

路徑分析屬于直觀的考察應力分布情況，取管板與殼體連接處按照橫向梯度分布到應力分布最小值區域為PATH1，其應力圖如圖2所示。

圖2 熱應力變化圖

由圖2的變化圖可以看出，數值線性化說明了其最大值發生在管板與殼體連接處，也是熱側流體進口和冷側流體出口處，此處的溫度載荷相對其他管板部分較大，由于管板與殼體的材料是完全相同的，并因殼體與管板之間施加了約束，產生了一定的擠壓力，導致其熱應力相對較為集中，熱應力值較大，與現實中的設備運行狀態從數值化方面體現的匹配度較高。

4 小結

由溫度載荷分布計算溫度載荷引起的熱應力，由云圖可以得知，在管板邊緣處，由于管板受到殼體焊接的約束產生一定的應力集中，且在熱側進口處存在一定的溫差，所以最大值在管板與殼體的連接處，熱應力達到最大值32MPa，對比實際工況下的熱管換熱器管板，熱應力分布是合理的。溫度載荷引起的熱應力對管板造成的影響較大，在應力計算分析時，需要分析管板與機械應力載荷疊加時對管板的影響。

[1]薛明德,黃克智.對GB151—1999中管殼式換熱器管板計算方法的修改說明[J].化工設備與管道,2014,51(1)：1-7.

[2]譚蔚,楊星.高參數換熱器管板熱應力分析模型的研究[D].天津大學,2010.

鹽城工業職業技術學院校級課題（以技能大賽配合技能菜單推進汽服學生職業能力體系研究）。