基于SOlidWOrkS的管殼式換熱器管板的應力分析

趙麗娟　張玲　楊賀緒

[摘要]管殼式換熱器是石油化學工業中最常見的換熱設備。本文以固定管板換熱器為例，介紹了管板的設計，利用Solidworks軟件對管板進行建模，并用其自帶的有限元分析模塊sinalation進行溫度場和應力場的分析，為管殼式換熱器管板的設計提供了參考依據。

[關鍵詞]換熱器 管板 有限元分析

1引言

管殼式換熱器在工業生產中的應用極為普遍，因其結構簡單、造價較低、選材范圍廣、處理能力大還能適應高溫高壓的要求，至今仍處于優勢地位。而管板是管殼式換熱器中最重要也是最復雜的承壓部件，受力情況復雜，結構種類繁多，強度影響因素較多，它的合理設計，對于節省材料和加工制造都有重要意義。

管殼式換熱器是在一個圓形殼體內設置許多平行的管子，讓兩種流體分別從管內空間和管外空間流過進行熱量交換的。管板的受力情況復雜，因而管板的分析和計算公式相當繁復。目前，世界各國先后頒布了自己的標準，主要有美國的TEMA、ASME標準、英國的Bs標準、法國的CODAP標準、德國AD標準、日本JISB8243標準。我國也頒布了自己的標準GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》。本文以固定管板換熱器為例，通過管板的結構設計和有限元分析，從而優化其結構設計。

2固定管板換熱器管板設計

固定管板換熱器的兩端管板通常采用焊接方法與殼體連接固定。因其結構簡單、重量輕、在殼程程數相同的條件下可排的管束多而得到廣泛的應用。固定管板換熱器的設計參數如表2—1所示

2.1管板的結構設計

管板和殼體的連接有可拆和不可拆兩種。固定管板換熱器常用不可拆連接，兩端管板直接焊于外殼上并延伸到殼體周圍之外兼作法蘭，拆下管箱即可檢修脹口或清掃管內污垢，把管板焊在殼體內不兼作法蘭的結構用得較少。

2.2管板的厚度設計

管板厚度的計算公式復雜，由于采用的簡化假定各不相同，與管板的真實受力情況有不同程度的差別，以致在同樣條件下用各國規范計算公式得出的厚度差別很大。我國的計算方法，在GB151-1999中有明確規定了管板最小厚度，如表2-2所示：

2.3管板的結構尺寸設計及材料選取

基于設計條件要求，固定管板換熱器殼體直徑為DN800，材料為Q245R，管板材料為16Mn的鍛件，換熱管采用等邊三角形排列，換熱管尺寸為φ25×2.5mm，換熱管中心距S為32mm。針對管殼程壓力作用下各種操作工況，根據GBl51-1999關于管板的最小厚度規定，采用SW6軟件進行校核，名義厚度為8管板=50mm。

3.基于Solidworks的力學模型的建立

（1）應用Solidworks軟件進行建模：使用草圖繪制命令，繪制旋轉造型用的草圖，用“旋轉凸臺，基體”命令，設置旋轉角度為360°，完成管板的三維建模。在管板面上建立管孔的草圖，使用“拉伸，切除”命令，生成管孔。再建立換熱管的草圖，使用“拉伸凸臺，基體”命令，生成換熱管組件。這樣，管板的三維模型建立完成，如圖3-1所示：

（2）建立有限元模型：利用Solidworks自帶的simulation模塊進行管板的網格劃分。為了提高有限元分析過程的效率，由于管板結構的對稱性及載荷的對稱性，故有限元分析只需采用1/4管板建立幾何模型作為研究對象。網格類型為實體單元網格，由于系統具備對局部幾何形狀變化較大的地方進行網格細化的功能，故采用系統自動化加密網格化參數，認為可滿足設計要求，節點總數為161255個，單元總數為88116個。劃分網格后的管板模型如圖3-2所示：

4.有限元分析

（1）熱應力分析：參數定義好后，對管程和殼程分別施加對流傳熱系數，進行熱力分析計算，熱力場分布云圖如圖4-1所示。

由圖可知管板的大部分厚度上溫度接近流入管板或流出管板處換熱管的管程流體溫度，只在靠近殼程一側很薄的區域內管板溫度接近于殼程流體溫度，最大溫差應力強度發生在靠近殼程管板面的管子內表面處，此處溫差應力最大的原因是“表皮效應”在管板接近殼程的表面附近產生了溫度梯度。（2）應力分析：對管程和殼程施加壓力載荷，進行應力分析，應力分布云圖如圖4-2所示。

由圖可知管板上的應力最大值出現在外邊緣上，充分體現了邊緣處會產生應力集中，最大應力值遠遠小于材料的屈服應力275MPa，滿足安全性要求。應力最小值出現在管板中心處，材料富裕度大。

5.結束語

（1）本文應用Solidworks軟件自帶的simulation模塊對固定管板換熱器的溫度場和應力場進行了分析，實例表明，運用本文所提出的分析方法可較為方便的實現固定管板換熱器的應力分析，分析結果反映出最大應力值的應力分布情況與理論分析一致。Solid-works軟件具有強大的三維建模功能，其自帶的有限元分析模塊simulation模塊可對一般零件進行應力分析。

（2）由管板溫度場分布圖可看出管板溫度大部分接近管程溫度，在殼程側只有較薄一層區域內溫度接近殼程溫度，滿足美國ASME規范中規定的“表皮效應”理論。由管板的應力分布圖可看出管板的最大應力在邊緣處，最小應力在管中心處，為固定管板換熱器的厚度設計提供了參考。