基于SOlidWOrkS的管殼式換熱器管板的應(yīng)力分析

趙麗娟　張玲　楊賀緒

[摘要]管殼式換熱器是石油化學(xué)工業(yè)中最常見(jiàn)的換熱設(shè)備。本文以固定管板換熱器為例，介紹了管板的設(shè)計(jì)，利用Solidworks軟件對(duì)管板進(jìn)行建模，并用其自帶的有限元分析模塊sinalation進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，為管殼式換熱器管板的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]換熱器 管板 有限元分析

1引言

管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、選材范圍廣、處理能力大還能適應(yīng)高溫高壓的要求，至今仍處于優(yōu)勢(shì)地位。而管板是管殼式換熱器中最重要也是最復(fù)雜的承壓部件，受力情況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)種類繁多，強(qiáng)度影響因素較多，它的合理設(shè)計(jì)，對(duì)于節(jié)省材料和加工制造都有重要意義。

管殼式換熱器是在一個(gè)圓形殼體內(nèi)設(shè)置許多平行的管子，讓兩種流體分別從管內(nèi)空間和管外空間流過(guò)進(jìn)行熱量交換的。管板的受力情況復(fù)雜，因而管板的分析和計(jì)算公式相當(dāng)繁復(fù)。目前，世界各國(guó)先后頒布了自己的標(biāo)準(zhǔn)，主要有美國(guó)的TEMA、ASME標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)的Bs標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)的CODAP標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)AD標(biāo)準(zhǔn)、日本JISB8243標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也頒布了自己的標(biāo)準(zhǔn)GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》。本文以固定管板換熱器為例，通過(guò)管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，從而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2固定管板換熱器管板設(shè)計(jì)

固定管板換熱器的兩端管板通常采用焊接方法與殼體連接固定。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、在殼程程數(shù)相同的條件下可排的管束多而得到廣泛的應(yīng)用。固定管板換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2—1所示

2.1管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管板和殼體的連接有可拆和不可拆兩種。固定管板換熱器常用不可拆連接，兩端管板直接焊于外殼上并延伸到殼體周?chē)饧孀鞣ㄌm，拆下管箱即可檢修脹口或清掃管內(nèi)污垢，把管板焊在殼體內(nèi)不兼作法蘭的結(jié)構(gòu)用得較少。

2.2管板的厚度設(shè)計(jì)

管板厚度的計(jì)算公式復(fù)雜，由于采用的簡(jiǎn)化假定各不相同，與管板的真實(shí)受力情況有不同程度的差別，以致在同樣條件下用各國(guó)規(guī)范計(jì)算公式得出的厚度差別很大。我國(guó)的計(jì)算方法，在GB151-1999中有明確規(guī)定了管板最小厚度，如表2-2所示：

2.3管板的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及材料選取

基于設(shè)計(jì)條件要求，固定管板換熱器殼體直徑為DN800，材料為Q245R，管板材料為16Mn的鍛件，換熱管采用等邊三角形排列，換熱管尺寸為φ25×2.5mm，換熱管中心距S為32mm。針對(duì)管殼程壓力作用下各種操作工況，根據(jù)GBl51-1999關(guān)于管板的最小厚度規(guī)定，采用SW6軟件進(jìn)行校核，名義厚度為8管板=50mm。

3.基于Solidworks的力學(xué)模型的建立

（1）應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行建模：使用草圖繪制命令，繪制旋轉(zhuǎn)造型用的草圖，用“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)，基體”命令，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為360°，完成管板的三維建模。在管板面上建立管孔的草圖，使用“拉伸，切除”命令，生成管孔。再建立換熱管的草圖，使用“拉伸凸臺(tái)，基體”命令，生成換熱管組件。這樣，管板的三維模型建立完成，如圖3-1所示：

（2）建立有限元模型：利用Solidworks自帶的simulation模塊進(jìn)行管板的網(wǎng)格劃分。為了提高有限元分析過(guò)程的效率，由于管板結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及載荷的對(duì)稱性，故有限元分析只需采用1/4管板建立幾何模型作為研究對(duì)象。網(wǎng)格類型為實(shí)體單元網(wǎng)格，由于系統(tǒng)具備對(duì)局部幾何形狀變化較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的功能，故采用系統(tǒng)自動(dòng)化加密網(wǎng)格化參數(shù)，認(rèn)為可滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為161255個(gè)，單元總數(shù)為88116個(gè)。劃分網(wǎng)格后的管板模型如圖3-2所示：

4.有限元分析

（1）熱應(yīng)力分析：參數(shù)定義好后，對(duì)管程和殼程分別施加對(duì)流傳熱系數(shù)，進(jìn)行熱力分析計(jì)算，熱力場(chǎng)分布云圖如圖4-1所示。

由圖可知管板的大部分厚度上溫度接近流入管板或流出管板處換熱管的管程流體溫度，只在靠近殼程一側(cè)很薄的區(qū)域內(nèi)管板溫度接近于殼程流體溫度，最大溫差應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在靠近殼程管板面的管子內(nèi)表面處，此處溫差應(yīng)力最大的原因是“表皮效應(yīng)”在管板接近殼程的表面附近產(chǎn)生了溫度梯度。（2）應(yīng)力分析：對(duì)管程和殼程施加壓力載荷，進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)力分布云圖如圖4-2所示。

由圖可知管板上的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在外邊緣上，充分體現(xiàn)了邊緣處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力275MPa，滿足安全性要求。應(yīng)力最小值出現(xiàn)在管板中心處，材料富裕度大。

5.結(jié)束語(yǔ)

（1）本文應(yīng)用Solidworks軟件自帶的simulation模塊對(duì)固定管板換熱器的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，實(shí)例表明，運(yùn)用本文所提出的分析方法可較為方便的實(shí)現(xiàn)固定管板換熱器的應(yīng)力分析，分析結(jié)果反映出最大應(yīng)力值的應(yīng)力分布情況與理論分析一致。Solid-works軟件具有強(qiáng)大的三維建模功能，其自帶的有限元分析模塊simulation模塊可對(duì)一般零件進(jìn)行應(yīng)力分析。

（2）由管板溫度場(chǎng)分布圖可看出管板溫度大部分接近管程溫度，在殼程側(cè)只有較薄一層區(qū)域內(nèi)溫度接近殼程溫度，滿足美國(guó)ASME規(guī)范中規(guī)定的“表皮效應(yīng)”理論。由管板的應(yīng)力分布圖可看出管板的最大應(yīng)力在邊緣處，最小應(yīng)力在管中心處，為固定管板換熱器的厚度設(shè)計(jì)提供了參考。