發夾式換熱器管板的應力分析與強度評定

摘" " " 要：應用ANSYS有限元分析軟件，考慮壓力載荷和溫度載荷對管板整體應力分布的影響，采用順序耦合法對發夾式循環冷卻器的熱端管板在7種工況下進行有限元應力分析。結果表明：在壓力載荷與溫度載荷共同作用下，管板最大等效應力為329.9 MPa，位于布管區內換熱管與管板連接處。殼程先停工況下管板的最大等效應力值最大值為332.5 MPa，是發夾式循環冷卻器管板的最危險工況。在對管板上最大等效應力處進行當量線性化處理，結合分析設計標準進行強度評定，評定結果均合格。

關" 鍵" 詞：發夾式換熱器；管板；有限元分析；應力線性化；強度評定

中圖分類號：TQ051.5" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2024）04-0545-04

發夾式換熱器因其外形形似發夾而得名，其外形結構可視為單管程、單殼程、管束為U型的固定管板式換熱器[1]。與傳統換熱器相比，發夾式換熱器具有換熱效率高、管板溫差應力小等優點[2]。如何依據換熱器形式以及選擇合適的設計標準，進行管板設計是換熱器設計工作中一項重要工作[3]。

隨著計算機技術的發展，利用有限元軟件輔助管板設計進行了很多工作[4-9]。陳杰[5]等利用ANSYS有限元軟件對LNG繞管式換熱器管板及其相連的管箱、換熱器殼體進行了整體建模和多工況下的有限元應力分析。通過增加短節厚度的方式解決了管箱短節處局部薄膜應力過大的問題。張睿明[9]等利用ANSYS有限元軟件中的Workbench模塊針對U型管換熱器的管板進行了熱固耦合分析，比較了三角形與正方形布管方式對管板熱應力及機械應力的影響，為特定工況下選擇合適的布管方式提供了理論依據。本文以發夾式循環冷卻器的管板為研究對象，應用ANSYS有限元軟件，采用順序耦合法在壓力載荷的基礎上考慮溫度載荷的作用，對管板在" "7種工況下的應力分布進行分析。在典型路徑線性化處理的基礎上，依據分析設計標準進行強度評定，并依據管板應力分布對開停工提出建議。

1" 研究對象

本文研究對象為某化肥生產中所需的發夾式循環冷化器，其結構如圖1所示。殼程介質為氫氣，設計壓力3.36 MPa，設計溫度180 ℃；管程介質為水，設計壓力0.75 MPa，設計溫度85 ℃。換熱管外徑19 mm，厚度2 mm，管間距23.8 mm。管板材料為316L，依據等效多孔板理論計算得出管板厚35 mm，結構形式及尺寸如圖2所示。管程介質上進下出，殼程介質下進上出，下端管板為熱端管板。相比于冷端管板，熱端管板在工作中所受到的管、殼程介質溫差更大，本文以熱端管板為研究對象。

2" 靜力學分析

2.1" 建立模型與劃分網格

應用SolidWorks建立包含管板、換熱管、殼程筒體及連接法蘭在內的模型。依據圣維南原理[10]，取換熱管長度70 mm、殼程筒體長度170 mm建立模型。由于管板的結構與載荷均為對稱分布，因此取管板的四分之一模型進行分析。

使用ANSYS提供的SOLID186單元（20節點六面體）及SOLID187單元（10節點四面體）進行結構分析。采用掃略法對換熱管與殼程筒體進行網格劃分；采用四面體法對管板及連接法蘭進行網格劃分。為節省計算時間，在模型不同位置設置不同的網格尺寸，將管板及換熱管作為分析重點，網格尺寸為4 mm，較為精細；非分析重點的連接法蘭及殼程筒體的網格尺寸設置為8 mm。網格劃分共得到166 310個節點，95 691個單元，平均網格質量為0.83，滿足有限元分析所需的網格質量要求，結果如圖3所示。

2.2" 施加載荷與邊界條件

在管板殼程側面、換熱管外壁面及殼程筒體內壁面施加殼程壓力載荷3.36 MPa，在管板管程側、換熱管內壁面及連接法蘭內壁面施加管程壓力載荷0.75 MPa，在管板及連接法蘭的墊片接觸面上施加墊片預緊力11 342 N[11]。對換熱管及管板等各端面施加相應的位移約束，在模型軸向的2個垂直對稱面施加對稱面約束。

本文對換熱器以下7種危險工況進行應力分析與強度評定，不同工況下管板所受載荷如表1所示。

2.3" 結果分析

經過有限元分析后，得出7種工況下管板的等效應力云圖如圖4所示。

圖4（a）至圖4（c）開工工況下，管板僅承受管、殼程的壓力載荷而不承受溫度載荷的作用，應力值均較低，最大等效應力僅為61.6 MPa，因此不進行詳細討論。

換熱器在穩態運行和停工時，需要在壓力載荷的基礎上考慮溫度載荷對管板的影響。采用順序耦合法考慮溫度載荷的作用，該方法按順序進行2次或更多次相關場分析，將第一次場分析的結果作為第二次場分析的載荷來實現2種場的耦合。換熱器管程操作溫度為37 ℃，殼程操作溫度為139 ℃，通過穩態熱分析得到運行狀態下管板的穩態溫度場，將管板穩態溫度場的分析結果作為溫度條件載荷添加至管板之上，再進行靜力場分析。由圖4（d）可知，穩態工況下，管板的最大應力為329.9 MPa，位于換熱管與管板連接處。布管區域內應力分布復雜，管板開孔處應力值較大為217 MPa，孔橋處的管板應力值下降至146 MPa左右。

停工時，可分為管程停止、殼程停止和管殼程同時停止3種情況。由圖4（e）可知，管程停止工況下，管板的最大應力為329.7 MPa，位于換熱管與管板連接處。與穩態工況相比，管程停工時管板布管區孔橋處146 MPa應力區域的分布范圍會擴大。由圖4（f）可知，殼程停止工況下，管板的最大應力為332.5 MPa，位于換熱管與管板連接處。與穩態工況及管程先停工況相比，殼程停工時管板布管區孔橋處146 MPa應力區域的分布范圍相應縮小。由圖4（g）可知，管程與殼程同時停工時，管板的最大應力為326.8 MPa，位于換熱管與管板連接處，應力值略小于穩態工況。管、殼程同時停工時管板布管區域內孔橋處146 MPa應力區域的分布范圍與穩態工況下的分布范圍基本相同。

3" 強度評定

為保證發夾式換熱器的安全使用，應用《鋼制壓力容器——分析設計標準》（JB4732—1995）對管板進行應力強度評定[12]。沿厚度方向，選取管板等效應力最大值所在路徑的應力分量作為評定依據，應力最大值位置見圖4紅色標記。

對路徑做線性化處理后可得薄膜應力、彎曲應力和總應力，其中一次應力反映結構發生塑性失效和彈性變形程度，結合二次應力保證結構的可靠性。有溫差作用的工況下針對一次應力與二次應力之和進行評定；而只有壓力作用的工況下，在管板處只針對一次薄膜應力進行評定，在管板與筒體連接處針對一次應力與二次應力之和進行評定。

依據上述原則進行強度評定，評定結果見表2。由表2可知，7種工況下管板強度均滿足要求，殼程先停工況下管板的最大等效應力值為332.5 MPa，為換熱器管板的最危險工況。正常工作、管程先停、殼程先停和管殼程同時停工等4種工況下，管板最大等效應力值相差不多，均在330 MPa左右。

為了合理操作換熱器開關，結合不同工況下管板等效應力云圖考慮，需要正確控制不同介質進出換熱器的順序。在開工時，應先開啟管程低溫介質開關，防止殼程高溫介質突然出現對管板造成較大應力；停工時，應先關閉殼程高壓介質開關，防止殼程高壓介質單獨存在，增強管板應力。

4" 結 論

采用ANSYS有限元軟件，基于順序耦合法，考慮壓力載荷和溫度載荷的共同作用，對發夾式換熱器管板在開工、使用和停工7種工況下的受力情況進行分析，得到如下結論：

1）在壓力載荷與溫度載荷的共同作用下，發夾式換熱器管板的換熱管與管板連接處應力集中現象明顯，管板最大等效應力值為329.9 MPa。在殼程先停工況下，管板的應力值最大為332.5 MPa，是" " "7種工況中的最危險工況。

2）對管板上應力進行當量線性化處理后，依據《鋼制壓力容器——分析設計標準》（JB" " " " 4732—1995）進行強度評定，該發夾式換熱器的管板在7種工況下均滿足強度評定要求。

3）考慮不同工況下管板的應力分布情況，應該正確控制不同介質進出換熱器的順序。在開工時，應先開啟低溫介質開關；停工時，應先關閉高壓介質開關。

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Stress Analysis and Strength Evaluation ofTubesheet of Hairpin Heat Exchanger

SUN Mengying， GUO Chaoyue， LI Zhuoqun， LIU Zhuang

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110020， China）

Abstract：" Using ANSYS finite element analysis software， considering the influence of pressure load and temperature load on the whole stress distribution of tubesheet， the finite element stress analysis of hot end tubesheet of hairpin circulating cooler was carried out by using sequence coupling method under seven working conditions. The results showed that under the combined action of pressure load and temperature load， the maximum equivalent stress of the tubesheet was 329.9 MPa， which was located at the connection between the heat exchange tube and the tubesheet in the tube distribution area. The maximum equivalent stress value of tubesheet was 332.5 MPa under shell program stop condition， which was the most dangerous condition of tubesheet of hairpin circulating cooler. The maximum equivalent stress on the tubesheet was treated with equivalent linearization， and the strength was evaluated according to the analysis and design standards.

Key words： Hairpin heat exchanger; Tubesheet; Finite element method; Stress linearization