偏心非均勻布管換熱器結構應力分析

雷 曉 卜 凡 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

由于現行熱交換器標準GB /T 151-2014[1]中的計算公式適用于對稱均勻布管的管板，但隨著工藝的提升，換熱器結構越來越復雜，對于偏心非均勻布管換熱器并沒有合適的計算模型，因此，此類換熱器可以采用有限元分析設計方法進行計算以確保其安全可靠性。目前，采用分析設計方法對換熱器進行設計的文章并不多，且大多針對規則均勻布管方式，而對于局部偏心非均勻布管結構換熱器分析較少，且并沒有成熟的模型計算可供參考。本文以工程項目為例，對管束局部偏心非均勻布置的換熱器結構用ANSYS建模進行有限元分析，通過各種工況計算比對，對設備強度及換熱管拉脫力和穩定性等方面進行評定，提出參考性改進方案，為同類型設備設計提供參考依據。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

某項目一塔頂固定管板換熱器結構見圖1。

圖1 偏心非均勻布管換熱器簡圖

換熱器殼程筒體上部需要一定的蒸發空間，管束局部偏心非均勻布置，換熱管主要集中于管板的中上部分，管板下半部的非布管區面積占比較大，上半部分和下半部分均沒有布管，是典型的偏心非均勻布管換熱器。換熱器筒體內直徑為DN2600 mm，殼程筒體厚度20 mm，管程筒體厚度20 mm，殼體中間下部有一個DN2300 mm 的大直徑接管，在換熱器右端設計有一個膨脹節，具體設計參數見表1。

表1 換熱器設計參數

換熱器主要受壓元件材料及設備關鍵參數見表2。

表2 換熱器主要受壓元件材料及關鍵參數

1.2 有限元模型及網格劃分

為保證模型的保真性，對設備整體結構進行實體建模。管板為偏心非均勻布管，且與殼體焊接的大開孔和膨脹節結構已超出常規計算范圍，需進行有限元分析[2]。本文重點考察管板、膨脹節及換熱管的安全性能。

為降低模型復雜程度，提高計算速度，在不影響計算精度的情況下，建模時對換熱器進行了局部簡化：殼程小接管不做考慮，折流板、擋板和拉桿不做考慮。換熱管為典型的薄壁結構，采用SHELL181單元劃分網格，將換熱管與管板連接部位一體化考慮，即忽略焊接接頭的影響，其他部位(包括換熱管與管板連接部位)采用SOLID185單元劃分網格。局部模型網格劃分見圖2。

圖2 模型網格劃分

1.3 邊界條件

1.3.1 位移邊界條件

模型分析中對左管板外側端面施加環向和軸向約束，設置其環向和軸向位移為0，以限制換熱器各方向的移動和轉動。

1.3.2 載荷邊界條件

溫度場邊界條件設置為: 邊界1(管程側管板和換熱管壁面)施加金屬壁溫68℃;邊界2(殼程筒體內表面)施加金屬壁溫119℃、管板內外壁溫差為51℃。設備外壁面有保溫層隔熱，外壁面按絕熱邊界處理。換熱器殼體中部的DN2300大開孔與外部設備焊接連接，其所承受外載荷有很大一部分通過換熱器鞍座下部安裝的彈簧支座所中和，為簡化模型，故忽略了DN2300的管口載荷。

換熱器殼程和管程分別有正壓和負壓工況，各分析計算工況見表3。

表3 分析計算工況

分析計算中需考慮表3中所列出的四種工況，為簡化計算，將case4工況與case3工況合并。

2 計算結果及分析

2.1 強度應力評定

通過計算，各設計工況下的總應力云圖見圖3～圖5。

圖3 Case1工況應力云圖

圖4 Case2工況應力云圖

圖5 Case3工況應力云圖

2.2 換熱管拉脫力和穩定性校核

換熱器除了要保證受壓件強度合格，還要重點校核換熱管拉脫力和穩定性，可參照《熱交換器》GB/T 151—2014。

2.2.1 換熱管拉脫力校核

本換熱器模型各工況均考慮計入膨脹變形差，則換熱管拉脫力應滿足下式：

|q|=|σta/(πdl)|≤3[q]

通過計算，各工況下換熱管軸向應力云圖見圖6～圖8。

圖6 Case1工況換熱管軸向應力云圖

圖7 Case2工況換熱管軸向應力云圖

圖8 Case3工況換熱管軸向應力云圖

可以看出，換熱管出現明顯變形，兩端向上翹曲。這是由于本換熱器管板偏心不均勻布管所致，因為管板中下部無任何布管，管板變形時缺乏換熱管支撐，管板中下部變形相對較大，使得換熱管出現兩端向上翹曲變形，布管區下部分換熱管受到拉伸，而布管區上部分換熱管受到壓縮的現象。

根據各工況下換熱管的軸向最大應力換算成換熱管的拉脫力進行校核。校核結果見表4。

表4 換熱管拉脫力校核

可以看出各工況下換熱管的拉脫力均滿足要求。

2.2.2 換熱管穩定性校核

管子穩定許用壓應力：

或者管子穩定許用壓應力：

各工況下換熱管的穩定性校核見表5。

表5 換熱管穩定性校核

其中case1和case2工況下換熱管穩定性校核通過，但其最大壓應力已經接近許用值，而case3工況下最大壓應力明顯超過許用值，理論上在不考慮換管支撐板(折流板)結構情況下，換熱管會出現失穩。這是因為在此工況下，管板管程側壓力為正，管板殼程側壓力為負，因此對換熱管軸向產生擠壓作用力。同時由于換熱器管板中下部無換熱管支撐，變形過大，導致布管區上部部分換熱管出現壓縮現象。可見這種換熱管偏心不均勻布管的換熱器較容易出現換熱管受壓失穩。為了既能滿足換熱器的工藝性能又能保證換熱器安全可靠性，降低換熱管軸向壓應力，需要對本換熱器進行局部結構優化，可以采用在管板下半部分增加筋板，提高管板和殼體下半部分的剛性的方法[4](內側加強法)或管板與殼體連接的外邊緣處，每個法蘭螺栓孔之間增加一塊筋板的方法[5](外側加強法)，在滿足一定條件下，可以降低換熱管軸向應力。

3 結語

(1) 管板偏心不均勻布管換熱器在操作工況下，管板管程側壓力為正，管板殼程側壓力為負，對換熱管軸向產生擠壓作用力。由于換熱管集中布置在管板中上部分，管板下部分沒有任何布管，無布管區域占比較大，因此管板下半部分剛度較小，在溫差作用下，形變自由度較大，布管區上半部分換熱管明顯受壓，下半部分換熱管明顯受拉。建議此類換熱器應用ANSYS進行有限元分析設計。

(2) 布管區換熱管軸向應力由于受非布管區變形彎曲應力的影響，由非布管區到布管區、由布管區外圍向中心呈逐漸遞減的狀態，且由拉到壓。在后期的換熱器定期檢驗中，應根據換熱管的應力分布情況，有重點、有針對性地進行檢驗。