熱交換器的結構設計及分析

宋宏偉　戴鈺冰　張劍巍　劉辰龍　宋良軍　牛夢雨　熊偉

摘 要：闡述了熱交換器結構設計的目的與重要性。對熱交換器總體結構進行了介紹。建立了熱交換器應力分析模型，在不同工況下對整體結構進行了熱應力分析，依據RCCM對熱交換器進行應力強度評定。分析結果表明熱交換器結構設計合理、強度滿足規范要求。

關鍵詞：熱交換器;結構設計;應力分析;強度評定

1 引言

熱交換器是某熱回路的關鍵設備之一，某熱回路主冷系統中并聯設置了三臺熱交換器，用于冷卻一次水，將回路核心部位所產生的熱量帶出，并通過熱交換器傳遞給二次冷卻水，維持回路核心部位要求的進出口溫度。

為滿足回路對熱交換器的要求，本文利用對熱交換器進行了結構設計，并利用有限元分析軟件ANSYS，依據RCCM對熱交換器進行應力強度評定[1-3]。

2 結構設計

熱交換器結構型式為再生式列管-套管型，熱交換器的結構示意圖如圖1所示，主要由8段列管段、10段套管段、 支座、設備本體與支座連接組件、 連接管和接管組成。再生段為列管型結構，由8段列管式換熱段串聯而成，冷卻段為套管型結構，由10段套管式換熱段串聯而成，換熱器一次側設計溫度均為350℃，二次側設計溫度均為100℃，一次側設計壓力為17.2MPa，二次側設計壓力為1.0MPa。熱交換器工質流程圖如圖2所示，熱回路中的一次水流經再生段管程后進入冷卻段內管，將熱量傳遞給冷卻段套管層的二次冷卻水，然后進入再生段的殼程復熱，同時對再生段管程中的一次水進行冷卻。

3 載荷、工況和準則

3.1 工況

3.1.1 設計工況

設計壓力，設計溫度，自重，熱膨脹，靜液壓力。

3.1.2 正常工況

操作壓力，操作溫度，自重，液體擾動，熱膨脹。

3.1.3 異常工況

此工況下的最大壓力，此工況下的最高溫度，自重，液體擾動，熱膨脹。

3.1.4 事故工況

此工況下的最大壓力，此工況下的最高溫度，自重，液體擾動，熱膨脹。

3.1.5 試驗工況

試驗工況下的壓力和溫度。

3.2 應力評定準則

依據RCCM的規定，對于上述每一種工況都應滿足各種載荷工況下的最低準則級別，熱交換器的所承受的最高循環載荷小于基準循環數，則在對其進行應力分析時，每種工況下的應力限值應符SC-2級設備的第2組規則。上述工況對應準則級別及應力限值如表所示。

4 計算模型

熱交換器各部件計算模型的校核厚度取名義厚度減去腐蝕余量，選取熱交換器本體和支架為研究對象，熱交換器一二次側的液體引起的慣性力通過附加質量將其等效轉移到對應的殼體上。熱交換器本體通過螺栓螺母方式固定在支架上，計算時將熱交換器本體與支架的連接處理為剛性連接。熱交換器本體（拉桿采用粱單元）主要采用殼單元進行離散，模型劃分網格后的單元數為111502個，節點數為109856個，熱交換器計算模型見圖3。

5 計算結果及討論

5.1 設計工況下靜力學分析結果

圖4分別為熱交換器設計工況下在設計壓力、設計溫度、液體和重力聯合作用下的應力強度結果，從圖4可以看出，熱交換器最大應力強度為190MPa，其位置產生在支架底部方鋼和角鋼連接處。

5.2 試驗工況下靜力學分析結果

圖5分別為熱交換器試驗工況下在試驗壓力、試驗溫度、液體和重力聯合作用下的應力強度結果。從圖5可以看出，熱交換器試驗工況下最大應力強度為250MPa，其位置產生在支架底部方鋼和角鋼連接處。

6 應力強度評定

6.1 設計工況

將熱交換器在設計工況下的靜力學分析結果與在運行基準地震作用下的結果進行組合，圖6為熱交換器在設計工況下的應力強度，從圖中可以看出，組合后的最大應力強度相對于靜力學分析結果稍有增加，為194MPa，其位置位于支架底部。依據薄膜理論并結合熱交換器的結構特點，將熱交換器再生段筒體、冷卻段筒體中部和冷卻段換熱管的薄膜應力處理成總體薄膜應力，其余位置的薄膜應力均處理為局部薄膜應力，應力強度評定結果表明，熱交換器各部件在設計工況下的應力強度滿足要求。

6.2 正常和異常工況

正常和異常工況下，將再生段筒體、再生段換熱管和冷卻段換熱管由于熱產生的應力計入總的薄膜加彎曲應力，其他零部件不考慮熱的作用，應力評定結果表明，熱交換器在正常和異常工況下的應力強度評定合格。

6.3 事故工況

將熱交換器在事故工況下的靜力學分析結果與在安全停運地震作用下的結果進行組合，圖7為熱交換器在事故工況下的應力強度，從圖中可以看出，組合后的最大應力強度相對于靜力學分析結果稍有增加，為197MPa，其位置位于支架底部。依據薄膜理論并結合熱交換器的結構特點，將熱交換器再生段筒體、冷卻段筒體中部和冷卻段換熱管的薄膜應力處理成總體薄膜應力，其余位置的薄膜應力均處理為局部薄膜應力，應力強度評定結果表明，熱交換器各部件在事故工況下的應力強度滿足要求。

6.4 試驗工況

試驗工況包括試驗壓力和試驗溫度，根據試驗工況應力強度評定結果表明，熱交換器各零部件在試驗工況下的應力強度評定合格。

7 結論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對熱交換器進行了力學分析，并根據RCC-M規范對熱交換器結構在各工況下進行了應力強度評定，得出以下結論：

（1）熱交換器結構設計合理，制造可行滿足規范要求;

（2）熱交換器結構強度設計滿足規范要求。

參考文獻：

[1]Mcintosh A B，Heal T J.Materials for Nuclear Engineers. London：Temper Press，1960.

[2]RCC-M，壓水堆核島機械設備設計和建造規則[S].2002.

[3]譚忠文，王海濤，何樹延.核電廠大型組合結構的有限元抗震分析方法研究[J].核科學與工程，2008（06）.