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固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定作者：杨翠娟来源：《名城绘》2019年第04期摘要：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。
基于ANSYS的固定管板换热器有限元分析杨连红;王强;尹权【摘要】建立了固定管板式换热器的有限元分析模型，按标准方法计算六种工况下管板应力、壳程筒体的轴向应力以及换热管的轴向应力。
同时采用JB4732-1995的方法对管板与筒体的应力进行评定，采用GB/T151-2014的方法对换热管的轴向应力、拉脱力进行评定。
结果表明，管板及换热管满足结构的强度要求。
【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)005【总页数】6页(P5-10)【关键词】固定管板换热器;轴向应力;拉脱力;热应力;有限元法【作者】杨连红;王强;尹权【作者单位】中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001;中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001;中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001【正文语种】中文固定管板换热器为石油化工装置中的典型设备之一，聚合物脱挥系统由上游换热器、一级脱挥罐、下游换热器以及二级脱挥罐组成，本文涉及的换热器是聚合物脱挥系统中的下游换热器，它起到对脱挥聚合物的加热挥发和分布器的作用。
换热器管程内介质为聚合物，其黏度很高，因此在换热管内加入螺旋内插件，是为了大幅度提高换热效果，但聚合物在换热器管内向下流动的压降很大，因此换热器内管需要高的压降。
物料在换热器出口流出直接降到下部二级脱挥罐内，挥发成分被真空泵抽出。
聚合物从二级脱挥罐底部出料，进入后续混合和造粒工段。
为了提高脱挥效果，物料在该换热器内需要60 s或更长的停留时间；设备公称直径为DN1400 mm，经工艺计算确定换热管为φ34×3 mm，管间距为48 mm，长度为2000 mm，需要换热管683根。
固定管板换热器结构简图如图1所示。
1.1 换热器设计参数如表1。
2.2 换热器材料参数如表2。
2.3 热分析材料特性参数如表3。
2.1 换热器模型的建立换热器设计时所有的开孔首先应满足GB150.1～150.4-2011《压力容器》［1］的相关规定。
固定管板式换热器（散热器）应力的有限元分析摘要：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。
结果表明：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膨胀系数相差较大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应力，会进一步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据。
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。
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。
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℃。
第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57 No. 1Feb. 2020板式换热器框架的有限元分析及应变试验研究薛子萱（天津百利机械装备集团有限公司中央研究院，天津 300350）摘 要：为了研究板式换热器固定压紧板、活动压紧板应力规律和夹紧螺柱载荷大小，在ANSYS 软件中建立板式换热器框架有限元模型，分别得到框架在单侧液压试验工况的分析结果。
实施了框架的应变实验，直接测出了固定压紧板和活动压紧板的应变数据，间接测出了夹紧螺柱的载荷数据，对比分析了有限元分析结果和应变试验结果，分析和试验研究表明：固定压紧板和活动压紧板的最大应力位于板的中心位置，应力幅值从板中心向四周逐渐减小，主应力方向与水平方向基本一致；夹紧螺柱的最大载荷位于中间螺柱。
研究结论对板式换热器框架的设计和优化提供一定参考价值。
关键词：板式换热器；有限元分析；应变实验；ANSYS中图分类号：TQ 050.2；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0041-006收稿日期：2019-07-19作者简介： 薛子萱（1987—），男，高级工程师。
从事机械设备的设计、仿真与验证工作。
板式换热器作为一种传热效率高、安装简单的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金环保、轻工食品等行业，板片和垫片安装在固定压紧板和活动压紧板之间，通过夹紧螺柱夹紧，板片和垫片按照一定数量排列组合后，形成不同的换热面积。
某板式换热器框架的结构示意如图1所示，由固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、支柱等零件组成。
NB/T 47004—2009《板式热交换器》规定了夹紧螺柱的载荷、面积及最小直径的计算公式，指出了“压紧板的刚度计算至今没有成熟可采纳的计算公式”现状 [1]。
标准中关于夹紧螺柱的理论计算，以所有螺柱均匀受力的假设为前提，但是数值模拟 [2]和试验验证 [3]等案例证明，板式换热器的夹紧螺柱受力存在明显的不均匀性，因此，经验公式计算结果存在一定误差。
第46卷第3期2009年6月化 工 设 备 与 管 道P R O C E S SE Q U I P M E N T ＆P I P I N G V o l .46 N o .3J u n .2009 固定管板式换热器管板强度的有限元分析曹海兵, 江楠(华南理工大学化工机械研究所,广州 510640)摘 要:某公司根据G B 151按照常规设计方法设计了一台冷凝器,结果发现由于管板厚度(200m m )过大造成工艺条件无法满足。
为了对管板进行合理的设计,使其既满足强度要求也满足工艺条件,利用有限元计算软件对管板进行了详尽的计算与分析,调整管板厚度为150m m ,并依据J B 4732《钢制压力容器———分析设计标准》对其安全性进行了评价。
关键词:有限元; 应力分析; 管板中图分类号:T Q 050.3文献标识码:A文章编号:1009-3281(2009)03-0004-04F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f T u b e s h e e t i n F i x e dT u b e s h e e t H e a t E x c h a n g e rC A O H a i -b i n g , J I A N G N a n(R e s e a r c hI n s t i t u t e o f P r o c e s s E q u i p m e n t ,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,G u a n g z h o u 510640,C h i n a )A b s t r a c t : A c o o l e r w a s d e s i g n e d i na c c o r d a n c e w i t ht h e m e t h o d f r o mG B 151.B u t ,i t w a s f o u n d l a t e r t h a t t h e t u b e s h e e t w a s t o o t h i c k (t h et h i c k n e s s w a s 200m m )t o s a t i s f y t h e p r o c e s s r e q u i r e m e n t s .T o r e a c h t h e r e q u i r e m e n t s b o t hf r o m s t r e n g t ha n dp r o c e s s ,b yu s i n g f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e ,t h e t u b e s h e e t w a s c a l c u l a t e da n da n a l y z e d .T h e n ,t h e t h i c k n e s s o f t h i s t u b e s h e e t w a s r e d u c e dt o 150m m ,w h i c h w a s s a t i s f i e dw i t ht h e s a f e t yr e q u i r e m e n t s f r o m t h e s t a n d a r d J B 4732.K e y w o r d s : f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ;s t r e s s a n a l y s i s ;t u b e s h e e t收稿日期:2009-01-03; 修回日期:2009-02-12作者简介:曹海兵(1984—),男,广东乐昌人,硕士研究生。
主要研究方向:过程装备节能与可靠性研究。
某冷凝器属于固定管板式,管板延长兼做法兰,利用有限元方法对管板延长部分兼做法兰结构的固定管板换热器进行强度分析需要对模型进行一定的简化,由于该冷凝器的温差较小,因此本文没有考虑管板上温度差引起的应力,而只是对最危险工况[1](管程压力单独作用)的应力进行了分析和讨论。
该冷凝器的基本设计参数如表1所示。
表1 冷凝器的基本设计参数 参数数值管板厚度/m m 150法兰公称直径/m m 1050壳体厚度/m m 10换热管外径/m m 19换热管壁厚/m m 2.5换热管孔数650螺栓个数20螺栓孔直径/m m 60筒体内径/m m700管程压力/M P a 16壳程压力/M P a 2管程入口侧温度/℃32壳程入口侧温度/℃70管程出口侧温度/℃411 参数化有限元模型的建立1.1 模型的简化由于现有计算条件的限制,建立模型时需要进行一些简化[2],简化时考虑以下几个因素:(1)建立模型的时候只考虑管板、法兰、壳体和管束部分,法兰垫片用等效的均布比压来代替。
由于结构左右前后对称,所以分析模型只需取该结构的1/4,如图1所示。
(2)建模时认为管子与管板已达一体化(材料可以不同),单元相互连接,不考虑接触关系。
为了建模和求解方便,忽略管子在管箱侧的外伸长度;在壳程侧,保留有限长度的外伸管子和壳体,分析中各部件的材料特性具体数值如表2所示。
根据边缘效应的影响长度公式:ΔL ≥2.5R t 。
管子须保留的外伸长度为ΔL ≥2.59.5×2.5=12.2m m ,壳体须保留的外伸长度为ΔL ≥2.5350×10=148m m ,本文中取管子在壳程相对于管板的外伸长度为150m m ,壳体相对于管板的外伸长度为250m m 。
(3)管板通过建立管板面,进行拖拉实现模型的建立[3]。
管板面分为布管区、不布管区、密封垫片区及圆螺栓区。
在布管区管子是正三角形分布,法兰上的螺栓简化为小圆柱体。
图1 有限元模型表2 材料特性数据项目管板换热管筒体材料16M n 锻1016M n R 弹性模量/M P a 203000191355191685泊松比0.30.30.3许用应力/M P a1501121701.2 模型单元的选择为了真实模拟管板及相连部件的应力状态,壳体、管板、管束全部采用实体单元。
结构分析采用的是8节点六面体单元S o l i d 45,S o l i d 45用于仿真3D 实体结构。
图1的有限元模型中单元数为43036,节点数为77810。
2 载荷与边界条件本文中主要考虑的是管程压力单独作用的情况。
分析中,螺栓、换热管和管板作为一个整体考虑,在螺栓上施加均布压力P 1;在垫片接触面上施加沿垫片均布的垫片压力P 2;将管板和壳体接触端固定;换热管内表面及管板管程端面施加管程压力P t =16M P a ,载荷情况如图2所示。
螺栓力的加载有预紧状态和操作状态[4],本文中取操作状态情况进行分析。
按照G B 150中的规定,操作状态下需要的最小螺栓载荷为:W p =F+F p =0.785D 2G P t +6.28D G b m P t式中 D G ———垫片压紧力作用中心圆直径; b ———垫片有效密封宽度; y ———垫片密封比压; m ———垫片系数。
垫片选取平金属内包石棉(铁或软钢)类型,垫片系数m=3.75,y =52.4M P a 。
根据实际模型计算出操作状态下单个螺栓所需的预紧力为W p /20=539286.2N ,因此加载时以190.8M P a 压力加于螺栓横截面上,在法兰密封面上施加等效垫片压力102.7M P a 。
图2 管板应力计算载荷示意对模型边界的约束为:在对称面上施加对称位移约束,换热管一端约束,一端连接在管板上,即约束换热管一端的轴向位移。
3 有限元分析结果及讨论3.1 管板整体的应力分析通过计算,管板整体的结构应力云图如图3。
图3 管板整体结构应力强度分布云图由图3可知,应力强度的最大值为298M P a ,发生在筒体与管板的连接处。
为了分析结构各部分的·5·2009年6月 曹海兵,等.固定管板式换热器管板强度的有限元分析应力情况,选取四条路径p a t h 1,p a t h 2,p a t h 3,p a t h 4(如图4所示)进行分析。
其中,p a t h 1和p a t h 3位于管板与筒体的连接处,为结构不连续处。
p a t h 2和p a t h 4分别是远离结构不连续处的法兰截面和筒体截面,用于评定该处的一次总体薄膜应力强度或一次局部薄膜应力强度。
图4 路径示意图及路径局部放大示意3.2 管板布管区的应力分析单独提取管板与管子连接的管板布管区部分,其应力强度分布云图如图5所示。
图5 管板布管区应力强度分布云图由图5可以看出,管板上的最大应力为197.1M P a ,壳程侧管板的应力比管箱侧管板的应力高,管板上远离中心位置的应力比管板中心附近的应力高。
如图6所示,选取两条危险路径p a t h 5,p a t h 6。
路径的起点均在管箱侧,终点在壳程侧。
P a t h 5,p a t h 6位于布管区,为结构不连续区域,因此需校核一次局部薄膜应力P L 和一次应力加二次应力P L +P b +Q 。
3.3 有限元结果强度评定按照J B 4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》对管板在载荷工况下的强度进行分析。
为了得到应力强度分布状况,在模型上选取了若干路径,如图4、6所示,分别对各路径上的不同类型的应力强度进行校核,结果汇总于表3。
比较表3中各路径上的强度值,可以发现在结构不连续处应力值均非常大。
图6 路径示意图及路径局部放大图(下转第18页)处理后的板材边缘已发生晶间腐蚀,局部晶粒剥落,晶间腐蚀深度为约2μm 。
试验结果表明波纹板材料晶间腐蚀敏感性较大。
图8 波纹板敏化前后的金相组织5 结束语(1)此类结构的换热板在运行环境中由于热应力达到400～500M P a ,超过材料屈服强度,导致波纹板端面、侧面局部塑性失稳变形。
(2)相邻波纹板焊接热影响区由于受到敏化,在介质的作用下发生晶间腐蚀。
由于该部位约束造成局部热应力过大导致晶间型应力腐蚀裂纹。
(3)由于运行工况中温度的波动变化,导致该部位发生了腐蚀疲劳裂纹扩展,直至引起波纹板破裂泄漏失效。
(4)波纹板开裂泄漏破坏的直接原因是该部位局部热应力过大从而引起晶间型应力腐蚀裂纹。
腐蚀疲劳则是在此基础上加速裂纹扩展的过程,是影响整个断裂破坏时间的因素,系间接影响因素。
该设备在如此高的运行温度下采用此结构形式是不合适的。
