固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
摘要：换热器设备在化工、石油、食品等多种工业生产中应用广泛。在换热器制造过程中，管板与换热管之间的连接结构和连接质量一定程度上决定了换热器的质量优劣和使用寿命。由于管板与换热管连接区域结构不连续，从而易产生各种连接质量问题，因此在危险工况下对管板与换热管连接部位进行应力分析和强度校核是十分必要的。
关键词：固定管板式换热器；管板；应力分析；强度评定
目前，对换热器管板结构进行应力分析的研究已有较多成果。应用ANSYS软件对固定管板式换热器在机械载荷和温度载荷共同作用下的应力强度进行分析，并对危险截面进行强度校核，得出应在不同危险工况下，对换热器不同部位进行分析和评定才能保证其安全可靠运行的结论；分析了不同操作工况下管板模型的应力场，得出除了筒体上的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与筒体连接圆角过渡处的一次应力加二次应力，且最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用的操作工况下的结论；通过建立包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型，将法兰垫片用等效的均布比压来代替，分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。
1管板结构的静力分析
在反映结构力学特性的前提下，模拟时进行以下简化：1）不考虑管板与换热管焊接热应力影响；2）不考虑管板与壳体的连接焊缝；3）不考虑管板兼做法兰螺栓对其的受力。选择管板一侧面与所有换热管孔面施加450℃的温度载荷，并在该侧面施加2MPa的压力载荷；在管板另一侧面施加147℃的温度载荷和0.6MPa的压力载荷；沿半径方向，对换热器管板最外边缘施加全约束。
分析应力发现，该工况下管板结构的最大应力为46.9MPa，管板最大应力发生外侧管孔局部区域，其他区域应力值并不大。采用管板材料为Q345R，450℃板厚为80mm的钢板许用应力为66MPa。由计算结果可见，最大压力小于材料的许用应力。
分析应变发现，该工况下管板结构的最大变形量为0.422×10-4m，出现在管板中心位置，由于管板径向最外侧受全约束限制，在热应力和压力的共同作用下，变形从圆心沿径向方向逐渐变小，变形方向由管板受高温高压一侧指向另一侧，即管板会呈现出鼓胀的形态。
2结构参数
某工程中应用的固定管板式换热器管板结构。其筒体内径Di=1800mm，筒体壁厚δ1=12mm。换热管规格为108mm×4mm，排列方式为转角正三角形，管间距133mm，共139根。由于管程介质为高度危害的腐蚀性介质，所以在管板管程界面堆焊一层不锈钢衬里，堆焊厚度δ=8mm，其中不锈钢衬里仅起到抵抗腐蚀的作用，不承担受力。本文建模忽略换热管在管程侧的伸出长度，壳体与管板采用焊接形式形成刚性连接。
3应力数值分析
3.1物理模型及网格划分
本次研究中主要讨论换热器管板的应力分布规律，忽略开孔接管、管箱封头及支座等。考虑到换热管、管板及筒体结构特点和载荷特性满足对称条件，因此在Geometry模块中对模型采用对称简化方法取其1/4作为分析模型。另外，管板与管程流体接触界面堆焊的不锈钢衬里不承受力，所以建模时仅取Q345R基体部分厚度。与管板连接的筒体，取实际管长一半，这样就可以消除筒体边缘处轴向应力分布对管板处应力分布的影响并充分考虑换热管对管板的支撑作用。为确保满足计算精度的要求，同时尽量减少网格数量，采用ANSYS17.0有限元分析软件提供的20节点六面体和10节点四面体单元为主进行网格划分。不同区域的结构采用不同的网格划分方法，共划分为240597个单元。
3.2边界条件
根据GB151的规定，分别对管板在管程单独作用、壳程单独作用、管程和温差同时作用、壳程和温差同时作用、管程和壳程同时作用以及管程、壳程和温差同时作用的多种工况下进行加载和计算。考虑到重力和外压载荷对模拟的影响较小可以忽略，因此，在换热管内表面施加管程压力Pt，外表面施加壳程压力PS，管板两侧分别施加管程与壳程压力，壳体的内表面施加壳程压力，在管板的外侧面施加圆柱面约束。在壳体端面和换热管端面施加对称约束。由于换热管与壳体材质不同且存在温差，因此在管板上施加热力工况；由于采用管板兼做法兰结构，因此在管板各个螺栓孔中心施加螺栓载荷W。根据GB150.3—2010的法兰计算公式，得到管程压力作用下螺栓载荷W，为10304N。
4計算结果与应力评定
4.1计算结果
管板与筒体连接的部位应力分布不均匀，集中现象比较明显，应力变化梯度大。在管程和温差同时作用时，管板的等效应力达到最大值，为σmax=144.67MPa。该应力最大值出现在管板与筒体相连接的部位。六种工况条件下，变形量最大值为0.30mm，出现在管板外边缘，管板中心部分的变形量可忽略不计。
4.2应力评定
为了对换热器管板的安全性能做出评定，应用线处理法对应力进行当量线性化处理，然后进行应力分类评定。在不同工况下等效应力最大点处选取贯穿管板厚度的路径作为应力处理线，将各应力分量沿这条应力处理线进行处理和评定。
由JB4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器-分析设计标准》中的应力分类原则可知，因内压产生的薄膜应力为一次局部薄膜应力PL，因结构不连续产生的弯曲应力为二次应力Q。对路径做线性化处理可得薄膜应力、弯曲应力和峰值应力，其中一次应力值反映结构发生塑性失效和弹性变形程度，结合二次应力保证结构可靠性，峰值应力强度反映结构疲劳破坏程度。有温差作用的工况下均由一次应力加二次应力评定，而只有压力作用的工况下，在管板处由一次弯曲应力评定，在管板与筒体连接处由一次应力加二次应力评定。通过对不同工况下选取的应力处理线进行分析可知，六种工况下管板结构均满足强度要求，其中有温差作用时应力情况复杂，为危险工况。
5结论
通过有限元分析对固定管板式换热器管板的结构进行应力分析和强度评定，得出以下结论：固定管板式换热器的管板与筒体连接区域应力情况复杂，应力集中明显。通过模拟分析可知，在管程和温差同时作用的工况下，管板的等效应力达到最大值，为σmax=144.67MPa。该应力最大值出现在管板与筒体相连接的部位。管板外边缘部位有较大的变形量，在六种工况条件下，变形量最大为0.30mm，出现在管板外边缘。由于换热管对管板有支撑作用，因此管板中心部分的变形量较小，可忽略不计。
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（作者单位：石家庄鼎威化工设备工程有限公司）