基于Workbench 的換熱器管板有限元分析

馬兆泰，李春朋，滑小彤，王在良

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學院，江蘇 淮安223003）

0 引言

換熱器是一種極其重要的化工節能設備，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，換熱器在化工、石油、動力、食品及其他許多工業生產中占有重要地位。按結構形式大致可分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、板式換熱器、U 形管板換熱器等，而固定管板式換熱器由于其結構堅固，適用范圍較廣，較容易清洗維修等優點受到大多數化工企業的青睞[1]。換熱管與管板間的連接是換熱器設計和制造中的最關鍵的技術之一，工作條件十分苛刻，多發事故，對連接質量要求很高。而且管板作為固定管板式換熱器中最重要的零件之一，用來排布換熱管，同時連接管箱、殼體、管束，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用，受力情況比較復雜，相較于其他零部件，換熱器中管板的設計制造及強度驗算更為重要。近年來，由于化工裝備行業的發展，化工企業的事故發生率也比較高，一旦在危險工況下，設備若發生泄露、破損等情況，后果將不堪設想。

隨著工業技術的不斷進步，以換熱器為主的過程裝備越來越向大型化、復雜化方向發展，使得對零部件的常規設計方法受到沖擊。目前，國內已經趨向于依靠數值模擬對固定管板式換熱器結構進行有限元分析，而且已有較多成果。許志鵬[2]考慮到換熱器存在一定的溫度載荷，對管板溫度場的分布規律作出分析，計算由溫度載荷導致的溫度載荷應力分布，得出熱應力的最大值在管板與殼體的連接處，溫度載荷引起的熱應力對管板造成的影響很大。陳波等[3]采用ANSYS 軟件對換熱器管板整體進行建模及數值模擬，針對溫度和壓力兩個因素對管板結構進行靜力分析，得出最大應力小于許用應力時，管板產生形變，隨固有頻率的增加，管板表面前后出現不規則變形且運動越發復雜的結論。

本文使用Workbench18.0 有限元分析軟件，建立有限元分析模型，劃分網格，并施加合理的邊界條件。對某換熱器管板進行強度分析與模擬，綜合分析了管板在管程壓力、殼程壓力的共同作用下，此換熱器管板結構的應力分布情況以及變形規律。

1 換熱器結構參數

換熱器要能完成年產數萬噸的生產能力，不會引起爆炸、泄露等危險的發生，因此對裝備的制造精度、安裝精度、密封性都有著較高的要求，能保證一定的強度要求。嚴格按照GB/T151-2014《熱交換器》的標準，經設計及計算，此換熱器部分結構參數見表1。

表1 換熱器結構參數

其中管板的結構與換熱管的排列方式如圖1 所示。

圖1 管板及換熱管排布方式

2 有限元分析模型及網格劃分

2.1 三維模型

根據上文給出的換熱器結構參數，采用Solid-Works2015 軟件對此型號換熱器的管板、筒體、換熱管部分進行簡易的三維建模，簡化計算的難度，更加有利于管板區域的有限元分析。在此換熱器結構中，根據圣維南原理，將作用在物體局部表面上的外力用另一組與其靜力等效的力系來代替，這種等效處理對物體內部應力應變狀態的影響將隨著離作用區距離的增大而迅速衰減[4-5]。因此可以直接忽略邊緣區域對換熱器主要研究區域的影響，模型中相對于管板殼程一端平面外伸的換熱管及外伸筒體長度應滿足邊緣效應影響長度公式：

式中△L 為邊緣效應的影響長度，mm；R 為換熱管外半徑或筒體外半徑，mm；t 為換熱管厚度或筒體厚度，mm。經計算可得，換熱管邊緣效應的影響長度為30 mm，筒體邊緣效應的影響長度為440 mm[6]，模型如圖2 所示。考慮到換熱器管板為中心對稱結構，載荷特性也滿足對稱條件，因此在Geometry 模塊中將模型簡化成其1/4 作為分析模型，有限元分析模型如圖3 所示。

圖2 換熱器模型

圖3 換熱器1/4 模型

2.2 網格劃分

網格劃分是模擬過程必不可少，也是極為重要的步驟，計算區域網格質量對于計算精度和效率有重要的影響[7]。為了減少工作量，使用Workbench 中的自動生成網格功能，網格尺寸設置為5 mm。最終生成的網格節點數為170 438，單元數為85 524，網格劃分模型如圖4 所示。

圖4 網格劃分模型

2.3 載荷約束及邊界條件

換熱器在進行工作時，載荷的施加對換熱器有著非常重要的作用，因此在進行有限元模型分析時添加正確的邊界約束條件及施加載荷也尤為重要，直接會影響最終的換熱器管板結構的應力分布情況以及變形規律的結果。由于有限元分析模型采用的是換熱器1/4 模型，在對稱面處施加對稱約束。又管板兼做法蘭，需要約束法蘭螺栓孔的軸向位移。在管板的外邊側添加固定條件Fixed support，約束其各個方向的自由度，限制其位移量[8]。在此換熱器管板的兩側分別管程壓力及殼程壓力，其中管程壓力為0.35 MPa，殼程壓力為0.3 MPa，此次有限元分析不考慮重力條件對模擬過程的影響。

3 有限元分析結果

在分析模擬的過程中，Workbench 軟件對劃分的85524 個網格單元進行分析，ANSYS 將自動對劃分網格的每個單元進行分析，在本次模擬換熱器工作條件中主要對管板總變形量、應力分布規律方面進行結果分析，得到總變形量分布云圖及應力分布云圖，如圖5、圖6 所示。

圖5 管板變形量分布云圖

圖6 管板應力分布云圖

云圖中不同顏色分別顯示了管板上不同區域的應力應變程度，圖5 中出現一塊較小的紅色區域為危險區域，即在管板中心區域總變形量最大，應變程度最為明顯，變形位移量為0.640 24 mm。從管板中心向邊緣的延伸區域，變形量越來越小。其中，非布管區域及管板邊側的位移變形量最小，屬于安全工作區域，一般不會產生開裂狀況。從圖6 中可以看到最大應力最大值出現在管板與法蘭連接的螺栓孔處，出現應力集中，其中最大應力值為37.172 MPa。綜合以上有限元分析結果，此換熱器管板基本符合強度要求，與實際生產時的情況相當接近，符合安全生產的要求。

4 結束語

換熱器在使用過程中，管板由于受力情況較為復雜，相較于其他零部件更加敏感。本文參考借鑒了國內外對換熱器管板的應力分布情況的研究，采用了Ansys Workbench 軟件對某固定管板式換熱器管板工作時的狀況進行有限元模擬分析，探究了管板的總變形量及應力分布規律，總結出設備危險工況時的原因，從一個較為客觀的角度為換熱器管板提供了設計基礎。