发布时间：2023-10-29 来源：火狐平台首页

  （2）结果分析及校核 由图 3～图 5 可知，对 3 种工况而言，路径 1 上的最大应力均位于管板与管箱内壁面的过渡圆角处， 且该处应力也是换热器上的最大应力；路径 2 上的最大应力位于管板与壳体内壁面的过渡圆角处；路径 3 上的最大应力位于距壳程侧表面 2 mm 处。路径 1~3 上的最大应力 pLpbQ，在工况 2 条件下达到最 大，其值分别为 225.97 MPa、149.85 MPa 和 93.75 MPa。且工况 2 时，路径 1~3 上的最大应力 pLpbQ 均大于 2 倍的各工况 pL 应力，故只需校核工况 2 的应力 pLpbQ。应力强度校核结果见表 2。 由于管程压力大于壳程压力，工况 2 时，壳体的伸长量最小，热载荷作用下的换热管所承受的轴向 压应力最大。换热管和管板采用强度焊加贴胀，此工况的换热管中应力校核结果见表 2。

  摘要：应用 ANSYS 有限元软件，建立了某固定管板式换热器的结构分析模型，对 3 种操作工况下 换热器的应力场进行了计算，并校核了其中的危险工况。根据结果得出：受热载荷作用的换热器，最大应力 在管板与管箱内壁面的过渡圆角处；“表皮效应”使距壳程侧 2 mm 处管板上的应力最大；换热器的各部 件安全裕度均大于 2，常规设计方法过于保守。关键词：固定管板式换热器；有限元法；应力分析 0 引言 固定管板式换热器是受力最复杂的管壳式换热器，当管束与壳体的温度及材料的线线胀系数相差较 大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应力，会促进增大各部件中的应力。本文采用有限元软件 ANSYS 分析某化工厂的一台 DN500 固定管板式换热器，建立带有真实管箱和换热管的有限元模型，并 对管板、 壳体和换热管的强度等进行应力分析及评定， 为今后换热器强度分析和优化设计提供理论依照。 1.有限元模型的建立 以换热器轴向为 Z 轴，垂直于纸面方向为 X 轴，竖直方向为 Y 轴建立总体坐标系。忽略进出口接 管的影响，换热器几何结构和承受载荷关于坐标面对称，取 1/8 模型为研究对象。为避免边缘效应影响， 管箱伸出管板的长度应大于 113 mm，本文取管箱长度 150 mm。 换热器上各部件的材料属性如表 1 所示。为保证耦合分析中节点的一致性，传热分析中选用热单元 SOLID70，相应地结构分析时采用实体单元 SOL-ID45。

  校核最危险的工况 2，由表 2 所列路径 1~3 的校核结果可知，换热器的管箱、壳体和管板的强度满 足工作要求； 路径 4 所列结果显示， 换热管的强度和刚度满足使用上的要求， 管子与管板的连接强度足够大， 故本台换热器设计整体偏于安全。 3 结语 （1）有热载荷存在的工况，换热器上最大应力均在管板与管箱内壁面的过渡圆角处。为减小该处 应力，应适当增大过渡圆角半径，以使管板两侧应力趋于相等； （2）距壳程侧 2 mm 处管板上的应力最大，这是由于“表皮效应”引起的热应力所致； （3）对危险工况 2 校核后，表明本台换热器上各部件均满足设计的基本要求，且安全裕度均大于 2，可见 常规设计方法过于保守。

  采用 APDL 语言先建立管板和换热管的横向截面，借用辅助单元 Shell57 划分网格，沿轴向拖拉成 三维模型。再建立管箱和壳体的轴向截面，绕轴旋转，生成如图 1 所示的换热器有限元模型。该模型外 径为 508 mm，管板厚度为 32 mm，壳体与管箱的壁厚为 6 mm，换热管尺寸为准 25 mm×2 mm。总单元 数为 44 420 个，总节点数为 80 451 个。

  曲线 上的一次局部薄膜应力 pL（虚线）和一次应力加二次应力 p Lp bQ （实线 上的轴向压应力值为-28.55 MPa。 换热器停工时，若先关闭管程进口阀，管程压力瞬间为 0，即为工况 2；若先关闭壳程进口阀，壳 程压力瞬间为 0，即为工况 3。此 2 种工况的应力分布云图类似图 2，为节省篇幅略去。此 2 种工况的路 径取法同工况 1，路径 1~3 上的 pL 和 pLpbQ 应力分布见图 3~5，路径 4 上的轴向压应力值分别为 -32.72 MPa 和-27.76 MPa。

  热分析时在壳程侧管板面、壳体内表面和换热管外表面施加 44.7℃的温度载荷，管程侧管板面、管 箱内表面和换热管内表面的温度载荷为 112.8℃。壳体、换热管和管箱中流体的平均对流传热系数分别 为 834、896.9 W/(m℃)和 180.6 W/(m℃)。结构分析时，在 3 个对称面上约束法线方向的位移，在管箱的 横截面上施加相应的轴向拉应力。

  2 应力场计算和强度校核 换热器在操作的流程中，会出现 7 种可能工况。经分析，本台设备温度场产生的应力远大于压力载荷 产生的应力，本文只计算 3 种工况：管程、壳程压力和温度载荷同时作用，只有壳程压力和温度载荷， 只有管程压力和温度载荷。依次将此 3 种情况称为工况 1、工况 2、工况 3，下面对这 3 种工况进行应力 分析及评定。 （1）各工况应力的计算结果 工况 1 为换热器正常操作工况。耦合分析后的应力分布云图如图 2 所示，从图中可看到最大应力强 度位于管箱与管板的过渡圆角处，在该过渡圆角处取路径 1 做多元化的分析。壳体与管板的过渡区，结构不连 续也产生较大的集中应力，取路径 2 做多元化的分析。管板开孔处存在比较大的局部应力，又由于管程温度载荷 的影响，布管区的应力较大，取路径 4 分析其上的应力。热膨胀系数较大的换热管承受压缩载荷，对管 板的推力使管板中心略向管箱侧凸起，这样边缘处管子中轴向压应力较大（与图 2 显示结果一致） ，沿 边缘处换热管的轴线 做多元化的分析。