固定管板換熱器的機械場應力分析

一、            背景

換熱設備室一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器占設備總數的40%左右，占總投資的30%~45%。目前，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器。我國管殼式換熱器的設計標準采用GB151-1999。但隨著設備的大型化及操作的高參數化，不斷出現超標的換熱設備。目前，對于這些設備可參照JB4372-1995利用有限元法進行分析計算并評定。計算與評定時一般應考慮四種危險工況，即：只考慮殼程壓力、只考慮管程壓力、同時考慮殼程壓力與溫差、同時考慮管程壓力與溫差。

二、            問題描述

某臺臥式固定管板換熱器，殼程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=183MPa，管程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=118MPa，殼程設計壓力為0.58MPa，管程設計壓力為2.0MPa，殼程操作溫度為140.5攝氏度，管程操作溫度為250攝氏度。其他參數如下：

    進、出口管板：管板為帶凸肩的整煅件，凸肩高度35㎜，殼程側凸肩計算壁厚17㎜，管程側計算凸肩壁厚18.5㎜，凸肩與管板連接處鍛造圓角半徑15㎜，如圖1所示；管板外直徑為φ840㎜，管板計算厚度100㎜。進出、口端材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量E=2e5MPa，泊松比μ=0.3。

    殼程筒體：內直徑為φ806㎜，計算壁厚等于17mm，材料為16MnR,彈性模量E=2e5MPa, 泊松比μ=0.3。

換熱管：三角形布管，管間距38㎜，外直徑25㎜，換熱管長度為5000㎜，厚度為2.5mm；共布有336根換熱管（忽略拉桿并代之以換熱管），材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量E=9.371e4MPa, 泊松比μ=0.3，管板布管圖如圖3所示。

管箱筒體：內直徑為803㎜，管箱長度350㎜，計算厚度為18.5㎜，材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量為E=2.078e5MPa，泊松比μ=0.3。

以上所有尺寸都是減去腐蝕余量后的尺寸，殼程材料腐蝕余量3㎜，管程材料腐蝕余量1.5㎜，換熱管不必減腐蝕余量。

三、            問題分析

建立如圖4所示的機械應力分析模型（換熱管未畫出，僅以子午面示意）。其中與管板煅件連接的殼程筒體及管程筒體的長度足夠長，遠大于2.5倍的邊緣應力衰減長度，一般而言，當不必考慮兩側管板軸向差異時，才可利用軸向對稱性建模，且殼程分析長度應為殼程總長度的一半。由于主要討論管板及其與兩端筒體連接區的應力分布規律，忽略開孔接管、管箱封頭及支座等。考慮到結構和載荷的對稱性，沿換熱器的縱向對稱面切開取其1/4作為分析模型體。結構縱向對稱面約束了法向位移，殼程筒體橫截面約束了軸向位移，箱管筒體斷面施加相應的軸向平衡力。換熱管內表面可以時間管程壓力，外表面可以施加殼程壓力，管板兩側分別施加SOLID45單元進行機械應力分析。

四、            有限元分析過程

五、            計算結果分析

應力強度云圖如圖10所示，可見最大應力發生在管板煅件的管程側過渡圓角處。其他可能出現較大應力的位置是管板煅件的殼程側過渡圓角處和管板的主體位置上，為此設定圖11所示的三條評定路徑，進行線性化處理，并給出前三條路徑的計算結果圖標1所示。

表1 應力分類結果

工況	路徑	PL,MPa	PL+Pb+Q,MPa
Ps=0.58 Pt=2.0	1-1	22.81＜1.5Sm	80.07＜3Sm
	2-2	14.64＜1.5Sm	20.12＜3Sm
	3-3	3.670＜1.5Sm	24.92＜3Sm
Ps=0.0 Pt=2.0	1-1	24.56＜1.5Sm	86.47＜3Sm
	2-2	16.93＜1.5Sm	34.01＜3Sm
	3-3	3.001＜1.5Sm	24.25＜3Sm
Ps=0.58 Pt=2.0	1-1	3.525＜1.5Sm	7.720＜3Sm
	2-2	3.525＜1.5Sm	19.70＜3Sm
	3-3	0.617＜1.5Sm	6.667＜3Sm

 

提取換熱器軸向對稱面上的計算結果數據，得到筒體軸截面上各點軸向應力的平均值以及換熱管軸向截面上軸向應力的最大平均值如表2所示，以便校核筒體與換熱管的穩定性及管板與換熱管拉脫力。

 

表2 軸向應力計算結果

工況	筒體軸向應力MPa	換熱管軸向應力MPa
Ps=0.58  Pt=2.0	8.312	-1.532
Ps=0.0   Pt=2.0	3.628	-2.224
Ps=0.58  Pt=0.0	4.684	0.690

 

換熱設備分析.docx