固定管板式換熱器應(yīng)力分析

錢路燕，賀斌蘭，萬雷

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，杭州310051）

1 引言

固定管板式換熱器是管殼式換熱器中一種常用的結(jié)構(gòu)形式，主要由殼體、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成，管束兩端用強(qiáng)度焊加脹接的方法固定于管板上，兩端管板直接焊接于殼體上，同時(shí)殼體上還焊有一些工藝接管[1]。因此，有必要依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]，采用有限元分析方法對(duì)固定管板式換熱器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的分析計(jì)算，從而提高固定管板式換熱器的安全性與可靠性。

2 設(shè)備屬性與工藝條件

2.1 材料參數(shù)

本文分析設(shè)備的主材選用S31803 材料，因?yàn)镾31803 作為一種雙相不銹鋼，將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，可以很好地克服應(yīng)力腐蝕。此外，S31803 的導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，換熱效率高，因此，選用S31803 材料作為本文分析設(shè)備的主材。材料性能參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別除以各自的安全系數(shù)2.4 和1.5后的較小值。

表1 S31803 材料性能參數(shù)

2.2 工藝條件

在各種工況中，最為嚴(yán)苛的工況是設(shè)計(jì)工況，所以，本文應(yīng)力分析是基于設(shè)計(jì)工況進(jìn)行的，分析計(jì)算條件見表2。

表2 分析計(jì)算條件

2.3 幾何尺寸

本文分析的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。按照靜載荷條件，根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》分析標(biāo)準(zhǔn)確定設(shè)備各元件壁厚，為有限元分析作準(zhǔn)備。因介質(zhì)密度較小，不考慮介質(zhì)靜壓，同時(shí)忽略設(shè)備自重。

圖1 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 殼程筒體厚度

因Pc=0.6MPa ＜0.4KSm=0.4×1×246.7=98.68MPa，故筒體厚度計(jì)算公式如下：

名義厚度：δn=8mm；

有效厚度：δe=δn-C2-C1=8-0-0.8=7.2mm；故筒體的有限元建模厚度為7.2mm

式中，Pc為設(shè)計(jì)壓力，MPa；K為載荷組合系數(shù)；Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；C1為材料厚度負(fù)偏差，mm；C2為腐蝕裕量，mm；Di為筒體的內(nèi)直徑。

2.3.2 錐殼厚度

計(jì)算得錐殼半頂角α=1.96°，錐殼大端切點(diǎn)內(nèi)半徑Ric=435.25mm。因Pc=2.8MPa＜0.4KSm=0.4×1×246.7=98.68MPa，故錐殼厚度計(jì)算公式如下：

名義厚度：δn=20mm；

有效厚度：δe=δn-C2-C1=20-0-0.8=19.2mm；故錐殼的有限元建模厚度為19.2mm

3 有限元分析

3.1 物理模型

由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型比較大，單元數(shù)目多，會(huì)給計(jì)算帶來相當(dāng)大的困難，所以需要簡(jiǎn)化模型。一方面，設(shè)備在幾何形狀和受力載荷方面均是對(duì)稱的，因此，取1/4 的實(shí)體建模，通過添加對(duì)稱載荷來確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面，殼體與換熱管連接部分的長(zhǎng)度滿足邊緣效應(yīng)衰減條件[3]，因此，根據(jù)邊緣效應(yīng)影響公式，取換熱管和殼體沿殼程方向伸出管板的長(zhǎng)度為650mm。式中，ΔL為邊緣效應(yīng)影響長(zhǎng)度；R為殼體外半徑或換熱管外半徑；T為殼體壁厚或換熱管壁厚。

整個(gè)設(shè)備劃分成5 個(gè)模型來計(jì)算，本文以其中一個(gè)模型的分析過程為例進(jìn)行說明。該模型主要包括上管箱、上管板、換熱管、筒體和接管N07、N09。

3.2 約束條件

模型兩側(cè)截面施加對(duì)稱約束，換熱管和筒體端截面施加軸向位移約束，法蘭密封面施加墊片壓緊力，上管箱內(nèi)壁、上管板上表面及換熱管內(nèi)壁施加管程壓力，筒體內(nèi)壁、上管板下表面及換熱管外壁施加殼程壓力，接管N07 和N09 端部及連接螺栓截面加軸向平衡力。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 應(yīng)力分析結(jié)果

模型在設(shè)計(jì)工況下的整體應(yīng)力強(qiáng)度和局部應(yīng)力強(qiáng)度分布情況見圖2～圖4，其最大應(yīng)力強(qiáng)度為257MPa。從整個(gè)有限元模型來看，最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管N07 與筒體的焊接處，由于此處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，不能直接根據(jù)單倍的許用應(yīng)力值來判斷是否滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)該根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 整體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖3 接管N07 及上管板局部應(yīng)力強(qiáng)度分布

圖4 上管箱及法蘭局部應(yīng)力強(qiáng)度分布

上管板的應(yīng)力強(qiáng)度分布情況如圖5 所示。最大應(yīng)力強(qiáng)度值245MPa 出現(xiàn)在管束區(qū)外圍與殼體連接的管板附近，這是由于在管板非布管區(qū)，靠近管板管程側(cè)，溫度略低于管程流體溫度，在靠近殼程一側(cè)，溫度略高于殼程流體溫度，沿管板厚度方向存在著明顯的溫度差，這種熱應(yīng)力在管板靠近殼體的連接區(qū)域尤為顯著。所以，同樣根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》做路徑對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5 上管板應(yīng)力強(qiáng)度分布

4.2 應(yīng)力強(qiáng)度分析

本文分析方法根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，應(yīng)力線性化路徑的選取原則是：（1）通過應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；（2）對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)沿壁厚方向設(shè)定路徑。具體分析結(jié)果如表3 所示。

表3 應(yīng)力強(qiáng)度分析表

5 結(jié)語

固定管板式換熱器存在開孔、接管以及受復(fù)雜載荷影響等問題，尤其是不連續(xù)結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)力十分復(fù)雜，無法用常規(guī)設(shè)計(jì)精確計(jì)算，故本文依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以設(shè)計(jì)工況為例進(jìn)行了應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)載荷作用下，該換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足應(yīng)力強(qiáng)度的要求。有限元分析方法為設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作提供了理論依據(jù)，同時(shí)，也為類似非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一種新的分析思路和方法。