CB1502绕管式换热器管板应力分析与强度评定有限元分析报告

换热器管板的应力分析和安全评定换热器是化工、石油、能源、冶金等重要工业领域中不可或缺的设备之一。

在其使用过程中，管板作为换热器的关键部件之一，承担着重要的传热任务。

但是，在一些恶劣的使用环境下，管板也面临着应力集中、热膨胀、疲劳等问题，从而引发安全风险。

因此，本文将对换热器管板的应力分析和安全评定进行讨论。

1. 换热器管板的应力分析换热器的应力分析，是为了确定其在使用过程中是否会发生变形、裂纹等影响其使用寿命和安全性的问题。

一般而言，应力分析会采用有限元分析方法进行，其基本流程如下：1.确定模型：确定模型的几何尺寸、材料性质、载荷边界条件等信息。

2.离散化：将模型离散化为有限个单元，并建立单元之间的边界。

3.利用有限元法求解模型的位移、应变、应力等物理量。

4.分析结果：根据计算结果，对模型的应力状况进行评估和处理。

在上述流程中，模型的几何尺寸、材料特性等是影响计算精度的重要因素。

换热器管板在实际使用过程中具有复杂的几何形状，以及不同材料特性的组合，因此要对其进行有效的模型构建和材料特性的确定。

在管板的应力分析中，以下因素需要考虑：•管板几何形状：管板的边长、板厚、支撑方式等。

•材料特性：材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等。

•成型工艺：成形工艺对管板宏观形状的影响。

•热载荷边界条件：在换热器使用过程中，热载荷对管板加剧的影响。

2. 换热器管板的安全评定在换热器的实际使用过程中，需要对管板的安全进行评定，以保证其可以在可接受的应力和变形范围内长期稳定的运行。

安全评定通常需要考虑以下两个方面：1.应力状况评估：通过对管板的应力分析，评估其在实际使用过程中的应力状况是否在可接受的范围内，以及是否产生了裂纹等问题。

2.失效分析：对管板的失效问题进行评估和分析，以避免发生失效事故。

失效分析通常包括以下内容：•疲劳分析：对管板的疲劳寿命进行评估和分析。

•腐蚀分析：对管板的腐蚀状况进行评估和分析。

•裂纹分析：对管板的裂纹状况进行评估和分析。

管壳式换热器部件的应力分析及强度校核盖超会;高兴;刘俊;刘慧【摘要】本文对某换热器的前管板在机械载荷和热载荷下利用有限元分析软件ANSYS进行强度分析。

在分析时，首先进行热分析得出温度分布，得出温度最大值出现在换热管与管板接触区，且最大值为150.408℃。

然后在热分析的基础上进行应力分析，得出最大应力出现在螺栓连接处，且为174 MPa。

最后参照JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》采用线分析法选取7处危险区域进行应力评定，得出3处应力（为机械载荷和热载荷的总应力）最大为174 MPa小于安全值438 MPa。

所以该换热器在运行过程中是安全的。

%The strength analysis of tube plate of a heat exchanger based on finite element analysis software ANSYS was carried out. Firstly, the thermal analysis was carried out in the process, the highest temperature portion was the part that the plate contacted with tubes ,and the highest temperature was150.408 ℃.Secondly, the stress analysis was carried out based on the thermal analysis, the maximum stress part was in the connecting part of bolts. Thirdly, the stress assessment was carried out according to JB4732-1995 Steel Pressure Vessels-Design by Analysis, seven parts were selected for stress assessment. The maximum stress was 174 MPa,it was less than the safe stress of 438 MPa. Therefore, the heat exchanger during operation was safe.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P429-431,473)【关键词】机械载荷;热载荷;强度分析;应力评定【作者】盖超会;高兴;刘俊;刘慧【作者单位】武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205;武汉工程大学，湖北武汉 430074;武汉工程大学，湖北武汉 430074;武汉工程大学，湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TQ051热交换器（即换热器）是一种转换冷热流体之间热量的设备。

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。

固定管板式换热器应力分析和疲劳分析摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。

关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析一、概述固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。

在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。

不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。

JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。

分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。

本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。

本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。

图1基本设计参数图2结构简图二、有限元模型建立1.材料参数本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。

S31803材料具体性能如下：温度/K弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/[10-6mm/( mm·K)]导热系数/(W/(m·K)设计应力强度/MPa423 .151900.313.416.1246.73831930.13.1515.5156.2.153343 .15196.40.31314.9258.3303 .152000.312.614.2258.7（二）材料尺寸本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。

第一章 课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。

一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。

2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。

不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。

虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。

目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。

铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。

而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。

有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。

对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。

北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。

散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。

2019年第17期广东化工第46卷总第403期·155·换热器管板应力应变分析魏欣，姜方圆(青岛市特种设备检验检测研究院，山东青岛266000)Stress and Strain Analysis of Heat Exchanger Tube and PlateWei Xin,Jiang Fangyuan(Qingdao special equipment inspection and testing institute,Qingdao 266000,China)Abstract:In this paper,the finite element software ANSYS Workbench 17.0is used to analyze the stress and strain of the tube-plate of u-tube heat exchanger under the condition of pipe pressure and shell-side interaction.The results show that the maximum strain of the tube sheet appears in the center of the tube sheet and decreases successively to the outer edge of the tube sheet.The maximum stress appears at the bolt hole where the tube plate is connected with the flange,and the other positions are more uniform,and the maximum value is 15.61Mpa.Keywords:Heat exchanger tube plate ；ANSYS ；Stress strain analysis在化工、石油和食品等多种工业生产中，换热设备担任着重要角色。

绕管式换热器管板的有限元应力分析与结构优化陈杰;纪博文;庄大伟;鹿来运;张晓慧;丁国良【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2018(069)0z2【摘要】绕管式换热器广泛应用于大型天然气液化装置,而管板是绕管式换热器的重要组成部件.由于管板处于管程、壳程交界处且布有密集的孔洞,降低了结构强度,使其成为LNG绕管式换热器的相对薄弱部位.利用Ansys有限元计算软件,对LNG 绕管式换热器管板及其相连的管箱、换热器壳体进行整体建模和多工况下的有限元应力分析,并根据JB4732—1995进行强度校核.计算结果显示,换热器壳体对管箱短节部分的应力有较大影响;实例中换热器外壳的拉伸作用导致短节内侧局部薄膜应力过大,超出许用强度.增加短节厚度可以有效提高管箱强度;通过将原短节厚度由45 mm增加到57.5 mm,解决了局部薄膜应力过大的问题.【总页数】7页(P128-134)【作者】陈杰;纪博文;庄大伟;鹿来运;张晓慧;丁国良【作者单位】中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TQ051【相关文献】1.绕管式换热器管板有限元应力分析 [J], 占双林;冯义浩;李肖蔚2.绕管式换热器管板应力的实验研究 [J], 赵挺;杨仲民;丛敬同3.横摇工况下FLNG绕管式换热器降膜流动换热数值模拟研究 [J], 李玉星;刘亮;王少炜;朱建鲁;韩辉;孙崇正4.垂荡工况绕管式换热器壳侧流动沸腾换热特性实验研究 [J], 陈杰;李剑锐;密晓光;丁国良;胡海涛;丁超5.绕管式换热器局部结构强度数值模拟计算 [J], 张晓慧;密晓光;鹿来运;苏清博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。