雙管板熱交換器應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

，， ， ，

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

管殼式熱交換器是應(yīng)用于石油、化工及食品等行業(yè)的一種常見(jiàn)設(shè)備，易于制造且生產(chǎn)成本比較低[1]。為了提高能源利用率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在積極探索其結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及性能改善，雙管板熱交換器就是其中一種結(jié)構(gòu)形式[2-3]。與常規(guī)管殼式熱交換器相比，雙管板熱交換器主要應(yīng)用于管程、殼程介質(zhì)發(fā)生泄漏的場(chǎng)合以及管程、殼程壓差較大的工況[4]。

目前，對(duì)雙管板的研究比較少，文獻(xiàn)[5-6]分別研究了雙管板熱交換器管板厚度設(shè)計(jì)方法，但都是基于常規(guī)設(shè)計(jì)思路[7]。SW6按GB 150.1～150.4的設(shè)計(jì)方法，基于保守思想，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸往往偏大。針對(duì)傳統(tǒng)管殼式熱交換器設(shè)計(jì)過(guò)于保守的問(wèn)題，筆者利用有限元ANSYS軟件對(duì)雙管板熱交換器進(jìn)行應(yīng)力分析及疲勞校核，并借助ANSYS軟件的參數(shù)化語(yǔ)言工具APDL對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)合理改進(jìn)結(jié)構(gòu)尺寸，使雙管板熱交換器的質(zhì)量減小，從而降低了生產(chǎn)制造費(fèi)用。

1 雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，主要部件材質(zhì)及尺寸見(jiàn)表1。表1中δ為外管板厚度，δ1為內(nèi)管板厚度，δ2為筒體厚度，L為筒體長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)工況下雙管板熱交換器部分參數(shù)見(jiàn)表2。

1.接管1 2.大接管 3.接管2 4.外管板 5.內(nèi)管板 6.耳座 7.筒體 8.接管3 9.換熱管圖1 雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

部件名稱(chēng)材質(zhì)許用應(yīng)力Sm/MPa設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算尺寸外管板SA-51670N189.24DN490 mm,δ=32 mmDN490 mm,δ=28.7 mm內(nèi)管板SA-51670N189.24 DN370 mm,δ1=28 mm DN370 mm,δ1=24.7 mm筒體SA-51670N189.24DN370 mm,δ2=12 mm,L=3 194 mmDN370 mm,δ2=8.7 mm, L=3 194 mm換熱管SA-179133.36?25 mm×3 mm?25 mm×2.7 mm

表2 設(shè)計(jì)工況下雙管板熱交換器部分參數(shù)

內(nèi)管板、外管板、筒體及換熱管材質(zhì)的腐蝕余量均為3 mm，板材厚度負(fù)偏差為0.3 mm，不銹鋼管厚度負(fù)偏差為材料厚度的10%。內(nèi)、外管板距離均為215 mm。

2 雙管板熱交換器有限元模型

2.1 單元選取及網(wǎng)格劃分

由于雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱(chēng)的，基于結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化的目的，在施加應(yīng)力載荷及約束時(shí)，建立了雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)的1/4有限元模型。整個(gè)有限元模型采用實(shí)體建模，選取三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid185，單元網(wǎng)格數(shù)為146 705，節(jié)點(diǎn)數(shù)為269 830，見(jiàn)圖2。

2.2 約束及載荷

雙管板熱交換器工況類(lèi)型較多，文中僅針對(duì)其中1種典型工況進(jìn)行研究。

在雙管板熱交換器管程表面施加應(yīng)力1.42 MPa、

圖2 雙管板熱交換器1/4結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分

殼程施加應(yīng)力6.5 MPa， 在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，在與外管板連接的法蘭截面上施加UY方向和UZ方向約束?？紤]溫度場(chǎng)時(shí)，采用間接方法[8]，將溫度場(chǎng)求得的單元節(jié)點(diǎn)溫度以體載荷的形式作為邊界條件施加在模型上。雙管板熱交換器有限元模型約束及載荷見(jiàn)圖3。

圖3 雙管板熱交換器有限元模型約束及載荷

3 雙管板熱交換器有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 應(yīng)力分析

雙管板熱交換器有限元計(jì)算應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。從圖4可以看出應(yīng)力最大點(diǎn)位于外管板和筒體連接區(qū)的內(nèi)側(cè)。該區(qū)域受壓力作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力均最大，同時(shí)還有局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

圖4 優(yōu)化前雙管板熱交換器計(jì)算應(yīng)力云圖

外管板及內(nèi)管板對(duì)殼體有較大的支撐作用，故管板支撐處殼體變形量較小。而熱交換器的中間部位缺乏支撐作用，導(dǎo)致其變形量較大，見(jiàn)圖5。

圖5 雙管板熱交換器位移云圖

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[9]中4.6～4.10的應(yīng)力分類(lèi)，把應(yīng)力分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb和二次應(yīng)力Q。分別沿著筒體厚度最小方向、外管板厚度最小方向、內(nèi)管板厚度最小方向以及換熱管厚度最小方向建立路徑[10]，線(xiàn)性化結(jié)果見(jiàn)圖6。優(yōu)化前后雙管板熱交換器不同路徑應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 雙管板熱交換器路徑線(xiàn)性化結(jié)果

部位路徑應(yīng)力分類(lèi)優(yōu)化前應(yīng)力值/MPa優(yōu)化后應(yīng)力值/MPa評(píng)定依據(jù)評(píng)定結(jié)果筒體Path1局部薄膜應(yīng)力135.47148.94<1.5Sm均合格筒體Path1一次加二次應(yīng)力209.50194.37<3Sm均合格外管板Path2局部薄膜應(yīng)力153.86177.94<1.5Sm均合格外管板Path2一次加二次應(yīng)力279.01366.05<3Sm均合格內(nèi)管板Path3局部薄膜應(yīng)力124.11131.92<1.5Sm均合格內(nèi)管板Path3一次加二次應(yīng)力229.84229.84<3Sm均合格換熱管Path4局部薄膜應(yīng)力86.62105.57<1.5Sm均合格換熱管Path4一次加二次應(yīng)力144.55189.61<3Sm均合格

3.2 疲勞校核

因工藝設(shè)計(jì)原因，雙管板熱交換器工作時(shí)存在周期性的循環(huán)載荷。為防止結(jié)構(gòu)整體發(fā)生疲勞失效，需進(jìn)行疲勞校核。

雙管板熱交換器的循環(huán)壽命為15 000次，當(dāng)壓力為-0.1 MPa時(shí)，由于內(nèi)壓到外壓不是按比例加載，故用2種工況壓力相減的方法來(lái)計(jì)算雙管板熱交換器的應(yīng)力，得到的雙管板熱交換器2倍疲勞[11-14]應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化前雙管板熱交換器2倍疲勞應(yīng)力云圖

參考JB 4732—1995附錄C-1和表C-1，最大應(yīng)力幅的修正值Sa為：

(1)

式中，E為次疲勞曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的彈性模量，Et為設(shè)計(jì)溫度下材料對(duì)應(yīng)的彈性模量，Srij為交變應(yīng)力幅，MPa。

最大應(yīng)力幅的修正值Sa=189.94 MPa，參考JB 4732—1995中的附錄C-1和表 C-1，查得循環(huán)次數(shù)為69 015次>15 000次，則累積使用系數(shù)U1=15 000/69 015=0.21<1.0，疲勞校核合格。

4 雙管板熱交換器模型優(yōu)化

4.1 目標(biāo)函數(shù)選取及變量設(shè)置

在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等滿(mǎn)足要求的前提下，廠家會(huì)考慮如何減少制造成本。因材質(zhì)的質(zhì)量與體積成正比，故把體積最優(yōu)作為目標(biāo)函數(shù)。

將外管板的最大應(yīng)力值Smax作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量，最大應(yīng)力值不大于3Sm[15]，令Smax=450.57 MPa。

選取外管板厚度、內(nèi)管板厚度、外管板和內(nèi)管板間距、換熱管厚度以及換熱管外徑等參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，其上、下限數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 雙管板熱交換器優(yōu)化設(shè)計(jì)變量 mm

4.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化算法有零階優(yōu)化算法和一階優(yōu)化算法[16]，筆者采用零階優(yōu)化方案對(duì)雙管板熱交換器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在迭代次數(shù)為9時(shí)，目標(biāo)函數(shù)——體積達(dá)到最優(yōu)，見(jiàn)圖8。

圖8 目標(biāo)函數(shù)體積隨迭代次數(shù)變化曲線(xiàn)

由迭代結(jié)果可以知道，優(yōu)化前熱交換器體積為8.18×106mm3，優(yōu)化后的體積為6.41×106mm3，體積減少了21.6%，即質(zhì)量減少了21.6%。由體積最優(yōu)得到優(yōu)化后雙管板熱交換器的外管板厚度為20.34 mm，內(nèi)管板厚度為22.93mm，內(nèi)、外管板間距為234.06 mm，換熱管外徑為35.17 mm，換熱管厚度為4.58 mm。

綜合考慮各方面的因素，最終選取外管板厚度24 mm，內(nèi)管板厚度25 mm，內(nèi)、外管板間距235 mm，換熱管厚度5 mm以及換熱管外徑36 mm作為優(yōu)化結(jié)果。

4.3 應(yīng)力分析及疲勞校核

對(duì)優(yōu)化之后的雙管板熱交換器有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析及疲勞校核，得到的雙管板熱交換器應(yīng)力計(jì)算云圖見(jiàn)圖9，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3，2倍疲勞應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。

圖9 優(yōu)化后雙管板熱交換器計(jì)算應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化后雙管板熱交換器2倍疲勞應(yīng)力云圖

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，最危險(xiǎn)點(diǎn)仍位于外管板和筒體連接區(qū)的內(nèi)側(cè)，同樣，按式(1)，最大應(yīng)力幅修正值Sa=253.36 MPa，得到循環(huán)次數(shù)為18 810>15 000，則累積使用系數(shù)U2=15 000/18 810=0.79<1.0，疲勞校核合格。

5 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS軟件對(duì)雙管板熱交換器優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核及應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)均位于熱交換器外管板和筒體連接區(qū)的內(nèi)側(cè)，內(nèi)管板和外管板對(duì)殼體起較大的支撐作用，此處殼體變形量較小。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后雙管板熱交換器的質(zhì)量減少了21.6%，降低了生產(chǎn)制造成本。優(yōu)化結(jié)構(gòu)主體尺寸，對(duì)此類(lèi)雙管板熱交換器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)可為設(shè)計(jì)人員提供一種簡(jiǎn)潔、高效的參考方法。