高壓反應水冷凝器有限元應力分析

(風凱換熱器制造(常州)有限公司，江蘇 常州 213164)

熱交換器因其換熱效率高，成為一種應用較為廣泛的化工設備，其結(jié)構(gòu)設計的合理性關(guān)乎著生產(chǎn)效率以及設備的運行安全性[1]。目前基于ANSYS分析軟件對熱交換器的分析、校核、結(jié)構(gòu)改進有了較為豐富的經(jīng)驗[2]。楊玉強等針對熱交換器的管板厚度沒有標準依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗設計的管板厚度，對其進行 ANSYS強度應力分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗設計的管板厚度能夠滿足強度要求，但厚度過于保守，進行優(yōu)化設計，有效地降低了管板厚度[3]。蓋超會等對主要的承壓元件法蘭進行有限元分析，同時考慮機械載荷和溫度載荷共同作用，選取法蘭6個危險截面進行了應力強度分析，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠[4]。李群芳等針對設計中的難點之一接管的許用外載荷，基于ANSYS仿真分析，得出外載荷對各部位應力強度影響規(guī)律，可有效預測結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的組合承載能力。對于高壓反應水冷凝器的管板、管箱部分筒體、殼程部分筒體及換熱管局部結(jié)構(gòu)，本文采用ANSYS分析軟件，分該位置處在承受三種不同載荷后的應力分布情況,驗證該高壓反應水冷凝器結(jié)構(gòu)形式的合理性，所得的結(jié)果為此高壓反應水冷凝器的檢驗以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進提供了一定的依據(jù)。

1 高壓反應水冷凝器結(jié)構(gòu)

高壓反應水冷凝器的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1086根換熱管按正三角形方式排布，殼程的冷卻水與管程的氧化氮氣不斷進行熱量交換，以保證高溫氧化氮氣降低到規(guī)定溫度。

可以按照GB/T150-2011《壓力容器》及GB/T151-2014《熱交換器》進行此高壓反應水冷凝器主體結(jié)構(gòu)的設計，管板、管箱部分筒體、殼程部分筒體及換熱管組成的局部結(jié)構(gòu)處的工況較為復雜，故采用較為常用的大型有限元計算軟件ANSYS對此高壓反應水冷凝器的管板及換熱管部位處的應力水平進行有限元仿真計算，應力評定方法參照JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》，其局部結(jié)構(gòu)處相關(guān)材料的許用應力仍按GB/T150-2011《壓力容器》標準中的有關(guān)規(guī)定選取。該冷凝器殼程設計溫度為70℃，管程設計溫度為160℃，具體的材料物性參數(shù)如表1所示，其中材料的彈性模量、許用應力、線膨脹系數(shù)等考慮隨溫度變化。

圖1 高壓反應水冷凝器主體結(jié)構(gòu) 表1 材料物性參數(shù)

筒體管箱換熱管管板材料Q345RS30403S3040316MnⅢ導熱系數(shù)/(W/m.k)16.316.316.316.3彈性模量/GPa205191191203線膨脹系數(shù)/10-611.1216.8416.8411.53許用應力/MPa181118118181

2 有限元分析

2.1 建立模型

根據(jù)此高壓反應水冷凝器的結(jié)構(gòu)特點，考慮模擬仿真所需耗時，將原結(jié)構(gòu)進行簡化建模仿真。由于管板分別與管程筒體焊接為一體，所建立的模型把管板和管程筒體一起進行建模，由于此高壓反應水冷凝器為對稱結(jié)構(gòu)，可僅模擬分析此高壓反應水冷凝器的1/4結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有的板殼理論研究：當離開不連續(xù)處的距離(即圓筒的長度)超過 (其中R為圓筒半徑,δ為圓筒壁厚)時，邊緣應力的影響可以忽略不計。在實際計算時，一般取圓筒的長度不小于 ?？紤]到筒體的過渡段和直段，因而這里建模取筒體長度的一半進行分析，所建模型如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

對所建立的1/4高壓反應水冷凝器結(jié)構(gòu)三維模型進行節(jié)點數(shù)較多的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，這樣雖然所需仿真時長較長，但可以真實反應換熱器在壓力載荷及溫度載荷共同作用下的應力特征。仿真計算采用8節(jié)點六面體單元solid 45，圖2為由管箱側(cè)看到的有限元分析模型。

圖2 有限元計算模型

2.3 邊界條件及載荷

將管程壓力載荷、殼程壓力載荷與溫度載荷等三種載荷工況進行組合，可以得到包括開工、正常工作和停工過程中可能會出現(xiàn)的七種瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作工況。由于結(jié)構(gòu)設計中采用了膨脹節(jié)，筒體與換熱管之間的溫差應力可以通過膨脹節(jié)補償，因此，上面七種工況中只需要計算上表中開工情況下的三種，都以設計壓力進行計算。設計工況只考慮設計壓力，不考慮溫度載荷。分別對模型的對稱面施加對稱約束條件，分別對管程和殼程施加工作壓力，在管程筒體的端面施加平衡載荷，具體的載荷與約束邊界條件見圖3。

圖3 載荷與約束示意圖

3 結(jié)果與討論

首先模擬仿真殼程、管程同時開瞬間工況應力分布。管板上應力強度分布情況如圖4所示。應力強度的最大值出現(xiàn)在圖5的靠近邊緣(圖中MX標示處)的筒體與管板連接區(qū)域，最大值為104.622 MPa，由于該處的幾何突變的存在，其應力屬于含峰值應力成分，小于三倍許用應力，因此，滿足強度要求。

圖4 管板管程側(cè)應力強度分布云圖

圖5為將管板移開后換熱管的總體應力強度分布。從兩塊管板間的換熱管的應力分布來看，靠近外圍區(qū)域的管束承受的應力水平高于中心的管束。圖中顯示的應力最大值是由于管板變形，換熱管與管板連接的要滿足變形協(xié)調(diào)所引起的

圖5 除去管板后換熱管的應力強度分布云圖

換熱管軸向應力分布如圖6所示。由圖6可見，最外側(cè)換熱管的最大軸向應力為19.7696MPa，出現(xiàn)在與管板連接的端部。

圖6 換熱管軸向應力分布

管程筒體應力和殼程筒體應力強度分布云圖分別如圖7、圖8所示，其其最大應力均小于各自所允許的許用應力，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖7 管程筒體應力強度分布云圖

圖8 殼程筒體應力強度分布云圖

按相同的方法分別模擬方法殼程先開瞬間工況和管程先開瞬間工況下的應力分布，分析管板殼程側(cè)應力強度分布、管板管程側(cè)應力強度分布、除去管板后換熱管的應力強度分布、換熱管軸向應力、管程筒體應力強度、殼程筒體應力強度應力分布，發(fā)現(xiàn)以上的三種工況下，各部分的最大應力值均遠小于其許用應力。

4 應力評定

我國JB4732壓力容器分析設計標準要求對計算部位的應力作詳細計算，按應力的性質(zhì)、影響范圍及分布狀況將應力分類為一次應力、二次應力和峰值應力。對于不同性質(zhì)的應力給予不同的限制條件。從上面應力圖可看出，管程筒體與管板的連接位置處出現(xiàn)了最大應力，因此，應力評定線取為垂直于最高應力值的等場強線或垂直于橫截面的中線處，1-1評定線分別對應此位置。評定結(jié)果如表2所示。

表2 應力分類線的應力強度評定

5 結(jié)論

對高壓反應水冷凝器管板局部結(jié)構(gòu)部位在三種不同的給定的設計載荷工況以及工作載荷工況下的應力分布情況進行ANSYS分析，可以得出：此高壓反應水冷凝器的管板、管箱部分筒體、殼程部分筒體及換熱管在給定的設計載荷工況以及工作載荷工況時，強度、剛度均能滿足強度要求，因此結(jié)構(gòu)安全，可以安全使用。此外，通過ANSYS分析仿真所得的結(jié)果也為此高壓反應水冷凝器的檢驗以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進提供了一定的依據(jù)。