基于應(yīng)力路徑的換熱器安全評(píng)定應(yīng)用研究

祝明威 張春吉 張 彬 趙偉剛

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石油吉林石化公司電石廠；3.吉林機(jī)電工程學(xué)校；4.西安航天動(dòng)力研究所)

基于應(yīng)力路徑的換熱器安全評(píng)定應(yīng)用研究

祝明威*1張春吉2張 彬3趙偉剛4

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石油吉林石化公司電石廠；3.吉林機(jī)電工程學(xué)校；4.西安航天動(dòng)力研究所)

從應(yīng)力路徑的角度出發(fā)對(duì)換熱器進(jìn)行合理的安全評(píng)定，考慮換熱器設(shè)計(jì)組裝不同應(yīng)力路徑線彈性變形程度一致性的原則，從安全評(píng)價(jià)核算系數(shù)出發(fā)，定義了安全評(píng)價(jià)系數(shù)，對(duì)核算系數(shù)的關(guān)聯(lián)性做了有效分析，對(duì)換熱器潛在失效應(yīng)力路徑做出了有效合理評(píng)價(jià)。

換熱器 安全評(píng)定 應(yīng)力路徑 變形程度 關(guān)聯(lián)分析

換熱器在煉油、化工裝置中占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%～45%，隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其中管殼式換熱器在換熱設(shè)備中使用量最大，因此對(duì)它的研究具有很大意義[1]。換熱器在使用過程中常處于封閉式高溫和多相流體的工作狀態(tài)，它的安全評(píng)定問題就顯得格外重要。筆者以常用的U形管換熱器為例，利用ANSYS分析軟件，應(yīng)用應(yīng)力路徑方法，研究了換熱器使用過程中應(yīng)力失效的安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)問題。

1 應(yīng)力路徑的確認(rèn)及研究方案

應(yīng)力路徑是在載荷作用下，一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的改變過程可以用對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡來描述，即應(yīng)力點(diǎn)在應(yīng)力空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。它原是定性分析土體力學(xué)特性的重要手段[2]。

U形管式換熱器是由一塊管板和多根U形管(即管束,由直管和半圓管組成的對(duì)稱形式[3])組成的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承壓好，價(jià)格便宜，適用于熱應(yīng)力大、管程不易結(jié)垢的場(chǎng)合，特別適用于殼程介質(zhì)易結(jié)垢而需要清洗的高溫、高壓、腐蝕性大的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于化工、供熱、機(jī)械及醫(yī)藥等行業(yè)[4]。

圖1為某給排水車間使用的U形管式換熱器，存在換熱器筒體法蘭滴漏頻次高、小修周期短的問題，嚴(yán)重影響著工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也構(gòu)成安全生產(chǎn)的隱患。造成筒體法蘭滴漏的原因主要是封頭、法蘭、筒體三者應(yīng)力撓變，因而劃分換熱器應(yīng)力路徑為封頭(P1)、管板與殼體(P2)、殼體法蘭連接(P3)3個(gè)位置的應(yīng)力路徑。

圖1 換熱器的路徑劃分

該換熱器的筒體、封頭材料為Q245R，管板為Q345R，換熱管為不銹鋼[5]，工藝參數(shù)為(管程/殼程)：

進(jìn)口溫度 115/185℃

出口溫度 70/80℃

設(shè)計(jì)壓力 1.0/1.0MPa

換熱器工作時(shí)封頭、管板與殼體、殼體的應(yīng)力變形均包括線性變形和角變形，所以換熱器工作時(shí)，上述3個(gè)路徑上的應(yīng)力同時(shí)發(fā)生，但由于處于不協(xié)調(diào)變形狀態(tài)，所以常常導(dǎo)致滴漏。為清晰分析3個(gè)應(yīng)力路徑的影響，筆者按以下步驟，用實(shí)際工況下尋求應(yīng)力路徑峰值的方法，來研究應(yīng)力路徑的應(yīng)力狀態(tài)：

a. 分析實(shí)際換熱器裝配和使用時(shí)封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接的約束情況；

b. 在實(shí)際工況下(即管、殼程壓力以及溫度載荷的共同作用下)，對(duì)封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接進(jìn)行有限元分析；

c. 對(duì)每個(gè)應(yīng)力路徑的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析；

d. 基于分析結(jié)論論證換熱器使用安全性的評(píng)定方法和指標(biāo)。

2 實(shí)施過程

2.1 約束分析

換熱器是軸對(duì)稱的，所以建立1/2分析模型。首先在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即限定了整體沿y方向的位移，如圖2所示。一端支座限制x、y、z方向上的線性位移，在支座橫截面上選取一點(diǎn)約束其x方向的位移，另一端支座處限制x、y方向的位移?？紤]到折流板對(duì)換熱管的支撐作用，在換熱管除去與管板連接的節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)上，約束x、y兩個(gè)自由度。

圖2 應(yīng)力分析路徑坐標(biāo)

2.2 有限單元體分析

使用ANSYS軟件，分別取封頭、管板與殼體、殼體法蘭連接的分析單元，采用SOLID185單元(熱分析采用SOLID70單元)劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 換熱器不同應(yīng)力路徑分析

根據(jù)安全判據(jù)，換熱器封頭與進(jìn)出口隔板連接處、管板與筒體連接處需要校核局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ，均勻殼體處需校核總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ和一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ[6，7]。

換熱器所用Q245材料的許用應(yīng)力[σ]為：

[σ]=σb/S

式中S——安全系數(shù)；

σb——斷裂應(yīng)力。

薄膜應(yīng)力σmax為：

式中D——容器平均直徑(中徑)；

K——常數(shù)；

p——容器設(shè)計(jì)壓力；

δ——容器壁厚。

一次彎曲應(yīng)力σMmax為：

現(xiàn)定義σmax/[σ]=qm為薄膜應(yīng)力安全評(píng)價(jià)核算系數(shù)(表1)；σMmax/[σ]=qM為彎曲應(yīng)力安全評(píng)價(jià)核算系數(shù)(表2)。旨在對(duì)裝備使用受力狀態(tài)予以相關(guān)性評(píng)價(jià)，即構(gòu)件同類核算系數(shù)相近，各裝配件的線彈性變形程度才相近。

表1 單路徑qm評(píng)定

表2 單路徑qM評(píng)定

各路徑的線彈性變形比例相等或相近，設(shè)備才會(huì)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)3個(gè)路徑的單路徑薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖4、5所示。

a. P1 b. P2 c. P3

a. P1 b. P2 c. P3

3 安全評(píng)定方法與指標(biāo)

定義Sa為安全評(píng)價(jià)系數(shù)，主要靠薄膜應(yīng)力來承載的壓力容器，Sa=qM/qm，應(yīng)取較小值。當(dāng)Sa≥1時(shí)，容器在薄膜應(yīng)力以外還要承受其他較大載荷，不利于容器的疲勞使用。本換熱器不同應(yīng)力路徑安全評(píng)價(jià)見表3，可以看出，路徑P2的Sa值最大，即在使用中殼體與管板是最容易發(fā)生失效的部位。

表3 不同應(yīng)力路徑安全評(píng)價(jià)

定義總體評(píng)價(jià)函數(shù)為：

F(Sa1,Sa2,Sa3,…，San,Sam)={[(Sa1-Sam)2+(Sa2-Sam)2+(Sa3-Sam)2+…+(San-Sam)2] /n}1/2→min

即靠薄膜應(yīng)力來承載的壓力容器，其各構(gòu)件安全評(píng)價(jià)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差取值越小，設(shè)備安全性越好。

4 結(jié)束語

在換熱器設(shè)計(jì)中，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱器的封頭、筒體和筒體連接法蘭進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，能滿足技術(shù)指標(biāo)要求；但在換熱器組裝和裝配后，在相同工況下，換熱器不同應(yīng)力路徑上的應(yīng)力撓變存在不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，造成使用的不穩(wěn)定性和不安全性，按照協(xié)調(diào)變形的原則，本文對(duì)換熱器的使用安全性給出了評(píng)價(jià)方法，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)、維修、安全評(píng)定以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 董其伍，劉敏珊，蘇立建.管殼式換熱器研究進(jìn)展[J].化工設(shè)備與管道，2006,43(6):18～22.

[2] 歐方軍，程玉梅.應(yīng)力路徑及初始固結(jié)條件對(duì)強(qiáng)度的影響[J].上海地質(zhì)，2002，(1)：31～33.

[3] 錢頌文，吳家聲，馬小明，等.U形管式換熱器管束固有頻率研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997,25(2)：12～20.

[4] 林玉娟，楊達(dá)，馮永利.應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行U形管式換熱器管板的應(yīng)力分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(3)：777～780.

[5] GB 150-2011，鋼制壓力容器[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012.

[6] JB 4732-1995(2005確認(rèn))，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2005.

[7] 陸明萬，陳勇，李建國(guó).分析設(shè)計(jì)中應(yīng)力分類的一次結(jié)構(gòu)法[J].核動(dòng)力工程，1998,19(4)：330～337.

ApplicationStudyofHeatExchangerSafetyAssessmentBasedonStressPath

ZHU Ming-wei1,ZHANG Chun-ji2,ZHANG Bin3, ZHAO Wei-gang4

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin132022,China;
2.CalciumCarbideFactory,PetroChinaJilinPetrochemicalCompany,Jilin132021,China; 3.JilinMechanicalandElectricalEngineeringSchool,Jilin132101,China; 4.Xi’anAerospacePropulsionInstitute,Xi’an710100,China)

Starting with the angle of stress path, the safety assessment for heat exchangers was implemented; Considering the consistency of linear deformation percentage of different stress paths, the safety index was defined and its correlation analysis was implemented, including the effective assessment of the stress path of the heat exchanger’s potential failure.

heat exchanger, safety assessment, stress path, deformation degree, correlation analysis

*祝明威，男，1977年6月生，講師。吉林省吉林市，132022。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)04-0476-04

2015-10-17，

2016-01-08)