換熱器不同工況下管板的應(yīng)力分析與評定

王 琪 孫正碩 沈 妍 趙振東 許春林

（1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.張家港市江南鍋爐壓力容器有限公司）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造中，存在著大量的熱量轉(zhuǎn)化過程，為提高能源利用率，研究高效安全的換熱器是科技發(fā)展的必然結(jié)果。 管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易選材、處理能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)及清洗方便等特點(diǎn)，可用于高溫高壓工作環(huán)境，目前被廣泛應(yīng)用于石油、冶金、能源、動力及制冷等領(lǐng)域［1］。

管殼式換熱器中的管板將不同溫度的工作介質(zhì)分離，進(jìn)而形成管程介質(zhì)與殼程介質(zhì)，并同時承受管程介質(zhì)與殼程介質(zhì)的壓力。 管板還具有支撐管束布置換熱管的作用。 管程、殼程介質(zhì)壓力和溫度載荷有不同的組合，不同載荷的組合對管板產(chǎn)生不同的影響，導(dǎo)致管板成為管殼式換熱器中受力情況最為復(fù)雜的部件［2］。因此，國內(nèi)外學(xué)者對管板進(jìn)行了廣泛研究，并頒布了一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 郝海波將標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管板厚度進(jìn)一步減小，并對減薄后的管板進(jìn)行強(qiáng)度校核，在滿足強(qiáng)度要求的情況下節(jié)約材料［3］。 王戰(zhàn)輝等在分析管板應(yīng)力分布時，發(fā)現(xiàn)管板與其他部件連接處會出現(xiàn)較大應(yīng)力，通過在其他部件與管板的連接處增加過渡圓角的方式，改善應(yīng)力分布情況［4］。

筆者結(jié)合管板連接處的結(jié)構(gòu)缺陷和螺栓預(yù)緊力，考慮應(yīng)力分布的影響因素，對管板進(jìn)行改進(jìn)，將換熱管連接處做倒角處理，減小管板厚度，從而達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)兼顧的效果。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

管殼式換熱器原始設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 換熱器原始設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到： 換熱面積44.6m2、換熱器筒體直徑400mm、 厚度10mm、 管板厚度40mm、換熱管77 根，設(shè)備法蘭、螺栓等根據(jù)GB/T 151—2014 選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格［5］。

1.2 模型簡化

針對換熱器管板的應(yīng)力分布情況，對模型做以下簡化：

a. 模型僅涉及到設(shè)備法蘭、管板、換熱管、殼體和螺栓；

b. 換熱管與管板采用脹焊并用的連接方式，且認(rèn)為兩者為一個整體，不考慮接觸問題；

c. 換熱管實(shí)際需伸出管板外3mm，簡化為換熱管與管板表面平齊；

d. 換熱器為對稱模型，只選取其1/4 模型進(jìn)行分析［6，7］。

圖1 換熱器1/4 簡化模型

1.3 模型邊界條件

在實(shí)際工作中，換熱器涉及的載荷有：工作介質(zhì)的壓力和溫度、外部環(huán)境溫度、自身重力、外部風(fēng)載荷、地震載荷、液柱靜壓力［9］。 6 種載荷中，由于后四種對分析結(jié)果影響很小，因此可忽略不計(jì)。 因管板兩表面距工作介質(zhì)進(jìn)出口很近且保留換熱管長度相對整體較短，所以設(shè)定管程側(cè)溫度為140℃、壓力為0.2MPa，殼程側(cè)溫度為40℃、壓力為0.4MPa， 環(huán)境溫度設(shè)定為22℃、 壓力為0.1MPa，螺栓預(yù)緊力為100kN。

對不同工況進(jìn)行應(yīng)力分析時，所施加的約束條件是相同的，即對外伸殼體橫截面施加法向位移為0 的無摩擦約束，對管板兩個對稱橫截面施加法向位移為0 的無摩擦約束［10］。

2 不同工況下管板的應(yīng)力分析

2.1 工況形式

換熱器在工作過程中共有7 種工況形式，不同工況下的載荷情況見表2。

表2 不同工況下的載荷組合

由表2 可見， 工況2、3、4 不存在溫度載荷，而為了分析壓力載荷和溫度載荷共同對換熱器管板應(yīng)力分布的影響，故選擇工況1、5、6、7 進(jìn)行分析，并將工況1 與工況4 管板的應(yīng)力分布進(jìn)行對比。 通過對工況1、4、5、6、7 下的管板進(jìn)行分析，找出應(yīng)力分布規(guī)律和危險位置，對管板存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 5 種工況管板應(yīng)力分析

2.2.1 工況1 管板應(yīng)力分析

換熱器在穩(wěn)態(tài)工況時，管程與殼程介質(zhì)處在穩(wěn)態(tài)熱量交換中，管程、殼程的壓力載荷和溫度載荷會同時作用在管板上。 圖2 為管板溫度分布云圖，可以看出在管板非布管區(qū)域殼程側(cè)，存在一層很薄、溫度為40℃的區(qū)域，沿厚度方向的其余區(qū)域溫度基本為管程介質(zhì)溫度。 分析該結(jié)果符合ASME 中涉及的表皮效應(yīng)。 非布管區(qū)域的溫度成線性變化，且溫度梯度較小，而管板布管區(qū)域的溫度變化梯度比非布管區(qū)域大，這是由管程介質(zhì)溫度引起的，因此在布管區(qū)域存在較大的溫差應(yīng)力。

圖2 工況1 管板溫度分布云圖

圖3 為管板等效應(yīng)力云圖，管板與殼體及換熱管連接處的應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在換熱管連接處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在殼體外側(cè)的管板邊緣處，分別為245.7、0.341MPa。 筒體內(nèi)部的管板非布管區(qū)域應(yīng)力較小且分布均勻，此時應(yīng)力主要表現(xiàn)為薄膜應(yīng)力。

圖3 工況1 管板等效應(yīng)力云圖

2.2.2 工況5、6 管板應(yīng)力分析

這兩種瞬態(tài)工況可以歸納為管板的一側(cè)先停車，而另一側(cè)還在正常工作。 此時管板一側(cè)壓力載荷瞬間消失，而另一側(cè)還存在工作介質(zhì)的壓力載荷。 圖4、5 分別為兩種工況下的管板等效應(yīng)力云圖。

圖4 工況5 管板等效應(yīng)力云圖

圖5 工況6 管板等效應(yīng)力云圖

2.2.3 工況7 管板應(yīng)力分析

在換熱器管程與殼程同時停車的瞬間，工作介質(zhì)傳遞到換熱器上的溫度仍然存在，但管程與殼程壓力瞬間消失，因此工況7 的載荷只有溫度載荷而不存在壓力載荷。 圖6 為工況7 管板等效應(yīng)力云圖。

圖6 工況7 管板等效應(yīng)力云圖

2.2.4 工況4 管板應(yīng)力分析

在換熱器兩程同時開車時，工作介質(zhì)的溫度還來不及傳遞給換熱器金屬部件，所以此工況不存在溫度載荷，只有管、殼程的壓力載荷。 圖7 為工況4 管板等效應(yīng)力云圖，在換熱器筒體內(nèi)的管板應(yīng)力呈現(xiàn)均勻分布，且數(shù)值很小，而管板外部用來連接設(shè)備法蘭的螺栓孔處應(yīng)力則較大。

圖7 工況4 管板等效應(yīng)力云圖

2.3 結(jié)果討論

換熱器存在溫度載荷的4 種工況中，筒體及換熱管與管板連接處均出現(xiàn)較大應(yīng)力，這是由于幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的。 在筒體內(nèi)非布管區(qū)域的管板應(yīng)力呈均勻分布，為薄膜應(yīng)力。 在僅存在壓力載荷的工況中，管板整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓連接處，表明螺栓預(yù)緊力對管板應(yīng)力分布是有影響的。

穩(wěn)態(tài)工況在換熱器所有工況中工作時間是最久的，占絕大多數(shù)時間，其他工況都為瞬態(tài)工況，時間極短。 穩(wěn)態(tài)工況下，所有載荷均存在，因此對管板做線性應(yīng)力評定是極其必要的。

3 應(yīng)力評定

在工況1 管板上設(shè)置3 條沿厚度方向的路徑， 如圖8 所示。 其中，A 路徑為管板未布管區(qū)域，B 路徑為筒體與管板連接處，C 路徑為換熱管與管板連接處。 所有路徑均為管板的一個表面到另一個表面，且為管板表面的法線方向。

圖8 管板應(yīng)力分析路徑

對管板3 條路徑進(jìn)行應(yīng)力線性分析，得出管板、 換熱管與筒體連接處存在較大應(yīng)力， 如圖9所示。 其中，PL代表一次局部薄膜應(yīng)力，Pb代表一次彎曲應(yīng)力，Q 代表二次應(yīng)力。

圖9 工況1 管板3 條路徑的應(yīng)力曲線

根據(jù)JB/T 4732—1995（2005 年確認(rèn)），強(qiáng)度校核有3 個評定依據(jù)：

PL≤1.5KSm

PL+Pb≤1.5KSm

PL+Pb+Q≤3Sm

其中，K 是載荷系數(shù)， 在分析管板時，K 取值為1；Sm是材料許用應(yīng)力極限，其值等于材料屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)， 取安全系數(shù)為2， 則Sm=172.5MPa。

工況1 管板3 條路徑的安全評定結(jié)果見表3。

表3 工況1 管板3 條路徑的安全評定結(jié)果

通過對換熱器管板做線性應(yīng)力評定，可以得出管板、 換熱管與筒體連接處存在較大應(yīng)力，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到限制值，因此按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管板厚度存在較大的改進(jìn)空間。

4 管板改進(jìn)

針對管板、換熱管與筒體連接處應(yīng)力較大的情況，對換熱管連接處做倒角處理，而筒體連接處不做倒角處理，將兩種結(jié)果進(jìn)行對比。 管板原厚度為40mm，現(xiàn)將厚度減小為30mm。 保持原分析條件不變，在工況1 下對改進(jìn)后的管板3 條路徑進(jìn)行線性應(yīng)力評定，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑的應(yīng)力曲線

工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑的安全評定結(jié)果見表4。

從改進(jìn)后的評定結(jié)果可以看出：由于管板厚度減小，A、B 路徑上3 種應(yīng)力均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，但仍能滿足強(qiáng)度要求。 而C 路徑總應(yīng)力減小，這是由于C 路徑處的換熱管連接處做了倒角處理，B 路徑筒體連接處沒有做倒角處理，因此可知倒角處理對減小應(yīng)力是有益的。

表4 工況1 改進(jìn)后的管板3 條路徑安全評定結(jié)果

5 結(jié)論

5.1 在考慮螺栓預(yù)緊力的影響、換熱器存在溫度載荷的4 種工況下對管板進(jìn)行分析，得出管板非布管區(qū)域的應(yīng)力較小且分布均勻，此時的應(yīng)力主要表現(xiàn)為薄膜應(yīng)力。 在管板、換熱管與筒體連接處出現(xiàn)較大的等效應(yīng)力，這是由于連接區(qū)域幾何形狀不連續(xù)引起的結(jié)構(gòu)缺陷。

5.2 通過對比分析，溫度變化較大會導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力出現(xiàn)，溫度載荷引起的熱應(yīng)力對管板整體等效應(yīng)力分布影響很大，其影響程度超過壓力載荷。

5.3 在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行管板薄膜與彎曲應(yīng)力的分析評定，根據(jù)評定依據(jù)，3 條路徑的線性應(yīng)力值均遠(yuǎn)低于限制值。

5.4 根據(jù)評定結(jié)果， 將換熱器管板厚度減薄10mm，對管板與換熱管連接處做倒角處理，并進(jìn)行應(yīng)力分析與評定。 結(jié)果表明，改進(jìn)后的管板能夠達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)兼顧的目的。