與橢圓封頭連接的N型固定管板計(jì)算

郭學(xué)雙* 褚建偉 朱廣前

（江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司）

0 引言

N 型固定管板是固定管板換熱器中一種常見的管程側(cè)筒體與殼程側(cè)筒體和管板焊接連接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比螺栓墊片連接更能確保密封效果，結(jié)構(gòu)質(zhì)量更小、成本更低[1-2]。近年來(lái)，因化工生產(chǎn)工藝需求，管程側(cè)與橢圓封頭連接的N 型管板特殊結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，這與GB/T 151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)要求的連接結(jié)構(gòu)有出入，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了較大難度。以一臺(tái)與橢圓封頭連接的N 型固定管板換熱器為例，從設(shè)計(jì)計(jì)算方法、局部應(yīng)力分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 管板設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

管板設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱管為滿布管，具體可見圖1，管板與橢圓封頭及殼程筒體連接結(jié)構(gòu)可見圖2。

1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

N 型固定管板換熱器的管板與殼體和管箱采用整體連接結(jié)構(gòu)，因此殼體和管箱對(duì)管板的變形具有約束作用，在按照GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管板設(shè)計(jì)時(shí),殼體和管箱的厚度非常重要。管程側(cè)殼體僅有封頭結(jié)構(gòu)，若按GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)中7.4.1.1以及7.4.6條規(guī)定應(yīng)為管箱圓筒與管板連接，按照該標(biāo)準(zhǔn)中的方法來(lái)計(jì)算并不合適，因此采用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)）以及TEMA計(jì)算進(jìn)行類比，來(lái)確定合適的設(shè)計(jì)厚度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 管板設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 換熱管滿布管

圖2 管板與橢圓封頭及殼程筒體連接結(jié)構(gòu)（單位：mm）

表2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法比較

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，TEMA 方法計(jì)算得到的管板厚度最大，按GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的管板厚度最小，按JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的管板厚度居中，結(jié)合工程實(shí)例[3]， TEMA 計(jì)算結(jié)果是較為保守。在DN＜800 mm 或DN ≥1400 mm 范圍內(nèi)，TEMA 方法計(jì)算結(jié)果相比GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算結(jié)果而言更為可靠，由于TEMA 計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)化，選用SW6 軟件按JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算管板厚度，選取管板厚度為120 mm。

管程側(cè)橢圓筒體與殼程側(cè)筒體和管板整體連接處是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的高應(yīng)力區(qū)域，但GB /T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)方法并不校核連接處的應(yīng)力，僅校核殼體的平均軸向應(yīng)力，管程側(cè)筒體或者殼程側(cè)筒體需要明顯加厚，按照J(rèn)B 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)算法得到的結(jié)果不如GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)方法經(jīng)濟(jì)。這是因?yàn)镴B 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)算法增加了管程側(cè)筒體端部和殼程側(cè)筒體端部總應(yīng)力的校核，而是壓力載荷單獨(dú)作用下的管程側(cè)筒體端部和殼程側(cè)筒體端部總應(yīng)力超標(biāo)，導(dǎo)致管程側(cè)筒體或殼程側(cè)筒體厚度增加[4]，有限元分析時(shí)考慮了管板與殼體端部連接處的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)，而SW6 計(jì)算軟件中的JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)分析方法沒有考慮圓角過(guò)渡，而圓角結(jié)構(gòu)能夠顯著減小筒體端部的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，大大改善管板與殼體連接處的應(yīng)力[5]。

根據(jù)以上分析可知，采用SW6 軟件中JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法得出的筒體端部應(yīng)力結(jié)果不合格，采用ANSYS 軟件進(jìn)行校核計(jì)算比較合理。

鑒于管程側(cè)封頭與管板相連接處結(jié)構(gòu)不滿足GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，因此選取管板厚度為120 mm，采用SW6 軟件中GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)方法校核管板彎曲應(yīng)力 (包括布管區(qū)和不布管區(qū) ) 、管板剪切應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管對(duì)管板的拉脫力 , 采用局部有限元法對(duì)管板帶肩端部進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 應(yīng)力分析

2.1 有限元模型

該研究主要分析管板及其與兩端筒體連接處的應(yīng)力，因此忽略開孔接管、封箱接頭及支座。采用實(shí)體SOLID 185 建模。有限元模型主要包括管程筒體、管板、換熱管、殼程筒體及殼程偏心錐殼。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱性，計(jì)算分析時(shí)采用設(shè)備的1/4 模型。有限元模型及網(wǎng)格劃分情況分別可見圖3 及圖4。

2.2 工況分析

對(duì)該換熱器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)需要考慮各種組合工況，具體可見表3[6～8]。

圖3 有限元模型

圖4 模型網(wǎng)格劃分情況

2.3 應(yīng)力評(píng)定

對(duì)有限元模型施加邊界條件及壓力和溫度載荷后，利用ANSYS 有限元軟件的求解器對(duì)6 種工況下管板各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算。針對(duì)管板的較大應(yīng)力點(diǎn)處選取多條路徑進(jìn)行線性化處理，根據(jù)JB 4732—1995（2005 年確認(rèn)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力分類的原則對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果可見表3。圖5 為第1 種工況下的殼程側(cè)線性化云圖；圖6 為第3 種工況下的管殼程側(cè)線性化云圖。

3 結(jié)論

（1）與橢圓封頭連接的N 型固定管板結(jié)構(gòu)不符合GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)中的理論模型。

（2）GB/T 151—2014 標(biāo)準(zhǔn)中的方法沒考慮管板與殼體連接結(jié)構(gòu)處存在最大應(yīng)力值的情況，因此該方法未必能確保設(shè)備安全運(yùn)行。

表3 模型分析工況組合情況

圖5 第1種工況下的殼程側(cè)線性化云圖

圖6 第3種工況下的殼程側(cè)線性化云圖

（3）與橢圓封頭連接的N 型固定管板結(jié)構(gòu)可采用SW6 軟件計(jì)算并初步確定管板厚度，管板與殼體連接處的局部結(jié)構(gòu)可按JB/T 4732—1995 標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力分析方法加以補(bǔ)充，得到合理的計(jì)算結(jié)果，使設(shè)計(jì)文件更加完善，確保設(shè)備安全運(yùn)行。