高壓換熱器U型換熱管變形規律仿真分析

孫寶財，張正棠

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著經濟和科技的發展，近年來石油化工行業從粗放型走向精細化、節約型。國家為了合理高效利用資源，發揮煤炭儲量大的優勢，煤化工行業異軍突起。這些變化使本來低迷的裝備制造產業出現了新的生機和機遇，同時也迎來了更大的挑戰，比如介質的復雜化、對壓力和溫度的要求更加苛刻等。在這樣的大背景下，對于裝備產業而言，創新制造新的設備、對原有設備進行優化和改進以適應新的變化尤為重要。

高壓換熱器是石油化工和煤化工行業的核心設備，其中以高壓U 型管殼式換熱器最為常見。國內外學者對這類換熱器做了很多研究，比較先進的有螺紋鎖緊環換熱器[1-5]、隔膜換熱器[6-7]、Ω環換熱器[8-10]；在高壓換熱器檢修方面也有取得了豐碩的成果[11-18]。由于計算機的發展和應用，數值模擬計算近年來應用到換熱器中，特別是對高壓換熱器的精準設計提供了很多方便，解決了很多以前在計算方面很難解決的問題。比如郭崇志等利用分段模擬和整體模擬兩種方法對換熱器操作工況下的流動與傳熱性能實施了數值計算，將CFD 模擬溫度場插值映射到ANSYS 模型中，得到結構溫度和應力場[19]；孫曉盟等通過建立了U 型管式換熱器進口截面的三維穩態流動數學模型，求得了U 型管式換熱器內部的壓力場、速度場和溫度場分布，在此基礎上對U型管式換熱器內部的溫度場、壓力場和速度場進行了討論[20]。

雖然國內外學者對管殼式換熱器有大量的學術研究，但是通過文獻檢索發現，對高壓管殼式換熱器中U 型換熱管的研究較少，特別是有關U 型換熱管變形的文章沒有發現，其實U 型換熱管會經常出現變形、裂紋、應力集中等因素使換熱管失效，從而降低管束壽命。為了更好地優化管束的設計，提高管束的使用壽命， 本文將通過 ANSYS WORKBENCH 靜力學分析研究高壓管殼式換熱器U 型換熱管的變形規律。

1 靜力學有限單元法控制理論[21]

螺紋鎖緊環換熱器在設計壓力范圍之內運行時管板及兩側密封面的變形屬于線彈性靜力學分析范疇。當應變發生微小變化時，內部產生的應變能與外載荷對其做功是相等的，即：

式中，U為應變能；V=V1+V2+V3為外力做功；δ為虛位移算子。

1.1 虛應變能

式中，｛ε｝為應變矢量；｛δ｝應力矢量；vol 為單元體積。

應變與節點位移的關系：

式中，［B］為應變位移矩陣，取決于單元的形函數；｛u｝ 為節點位移矢量。

把（3）代入到（2）中得到笛卡爾坐標系下的虛應變能：

1.2 外力的虛功

由于重力對管板及其兩側密封面的變形的影響很小，在這里模擬仿真時重力的影響可以忽略不計。從而只有管、殼壓力的矢量和筒體及其密封面兩側的約束外力對管板做的功。

1）單元內部的位移與節點位移關系：

式中，［N］為形函數矩陣。

2）壓力矢量形成的外力功：

式中，｛P｝ 為使用的壓力矢量；areap為壓力的作用面，其壓力施加在單元的外表面且垂直于作用曲面。

3）外力功對節點做的功：

通過式（4）、（5）、（6）、（7）得到單元基本平衡代數方程：

最終由（8）得到管板線彈性范圍內有限單元法靜力學總體平衡方：

式中，［K］為結構總體程剛度矩陣；｛u｝為結構節點位移矢量；｛F｝為結構載荷矢量。

式（1）是在虛功原理滿足管板平衡方程和變形協調方程的基礎上推導出來的，且滿足小變形和線彈性的應力-應變關系，所以線彈性靜力學總體平衡方程可以保證在每個單元內部滿足平衡方程、變形協調方程和線彈性應力-應變關系。

2 基本假設

1）管、殼程流體重量忽略不計；

2）不考慮流體流動過程中振動產生的影響；

3）忽略溫度對換熱管變形的影響。

3 U 型換熱管仿真模擬

3.1 設置材料、建立模型及劃分網格

高壓換熱器中管、殼程介質一般具有腐蝕性，因此U 型換熱管的材料工程上用不銹鋼，其主要參數如表1 所示。圖1 為U 型換熱管的三維幾何模型和網格劃分圖，由于幾何形狀比較簡單采用六面體掃掠網格，目的是為了加快運算和收斂速度。表2為換熱器壓力參數。

表1 材料主要參數

表2 壓力參數

圖1 三維模型及網格劃分圖

3.2 施加載荷、約束及求解

1）施加邊界條件，換熱管兩端進行固定支撐，換熱管與折流板之間進行固定支撐。

2）施加載荷，在換熱管內（管程）施加壓力為18.2 MPa，換熱管外（殼程）施加21 MPa 的壓力。

3）施加重力，在Z軸方向上施加重力。

4）對總變形、等效應力和等效應變進行求解。

4 U 型換熱管仿真結果分析

4.1 折流板與換熱管接觸區變形規律分析

實際換熱管的變形要比模擬的變形量稍微大一些，因為本文未考慮流體的重量以及流動過程中的振動等問題。本文是以某煉油廠實際服役的高壓螺紋鎖緊環為例，選其中一根U 型換熱管做仿真分析。管板與第一個折流板之間的距離為500 mm，折流板與折流板之間的距離為600 mm，最后一個折流板距換熱管彎曲開始段為200 mm。圖2 為管板與第一個折流板之間換熱管變形曲線圖，圖3 為折流板間重力方向變形量曲線圖。

圖2 重力方向變形量曲線圖

圖3 折流板間重力方向變形量曲線圖

從圖2 中可以看出，變形量呈二次函數分布，且開口向上，說明在接近管板和折流板區域換熱管向上變形，在中間由于重力的原因向下變形，且變形以中間為對稱軸兩邊對稱。從圖3 中可以看到，負號代表換熱管沿重力方向彎曲，正號代表換熱管垂直向上彎曲。圖2、圖3 說明換熱管由于管板和折流板的支撐作用，使得在支撐部位換熱管受到向上的剪力，而離支撐較遠的部位由于重力的作用換熱管產生撓度。這里的彎曲程度不能過大，過大會產生應力集中，通過分析可以為設計人員設計折流板間的距離提供一定的借鑒作用。

4.2 換熱管彎曲部分變形規律分析

換熱管彎曲部分是最容易失效的部分，通過仿真模擬計算發現變形量最大處發生在彎曲的最中間部位。對彎曲部位進行數據處理和函數擬合得出圖4 彎曲部位變形的曲線圖。

從圖4 中可以看出，直段末端到彎曲部分最頂端變形量呈指數型變化，其變形量的數量級是直段的102到103。在實際檢修過程中很容易看到U 型換熱管尾部變形嚴重的現象，說明目前國內制造單位很少有人對彎曲部分做更好的處理。根據以上分析，筆者建議制造單位對U 型換熱管彎曲部分做支撐處理，或者做一些加固的工裝，因為U 換熱管出現裂紋等失效很多情況發生在彎曲部分，由于流體沖刷嚴重，應力集中等復雜因素造成了彎曲部分的高失效率。

圖4 彎曲部分變形曲線圖

4.3 靠近彎曲部分的折流板處換熱管變形規律分析

為了研究靠近彎曲部分的折流板附近的變形規律，在模擬仿真中從折流板開始沿著彎曲方向上200 mm 之間等距離取20 個點，然后繪制如圖5 所示的曲線圖，得出靠近彎曲部分的折流板附近的換熱管變形規律。

圖5 靠近彎曲部分的換熱管變形曲線圖

從圖5 中可以看出，靠近彎曲部分折流板附近換熱管的變形規律呈指數型變形，說明變形量很大。從圖4 和圖5 對比來看，彎曲部分的變形量要比靠近彎曲部分折流板附近換熱管的變形要大很多。

5 結論

1）管板與折流板之間、折流板與折流板之間的變形量比較小，變形呈二次曲線分布，由于重力的作用中間變形量最大。

2）靠近彎曲部分的折流板附近換熱管的變形量指向彎曲部分呈類指數型增長，主要是因為彎曲部分沒有支撐而受重力影響引起的。

3）在整個U 型換熱管中，彎曲部位是變形量最大的部分，且變形量呈指數型增長。

綜上所述，變形量最大的部分是換熱管彎曲部分，這和工程實際相符合，主要是由于換熱管自重原因引起的，并且變形量很大。針對目前國內、外普遍對U 型換熱管管束的彎曲部分未有有效的支撐，建議做有效支撐。分析U 型換熱管的應力、應變及變形規律對優化U 型換熱管的設計、減少管殼程串漏、延長U 換熱管及其管束的使用壽命具有重要的意義。