基于Workbench 的換熱器管板有限元分析

馬兆泰，李春朋，滑小彤，王在良

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安223002；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安223003）

0 引言

換熱器是一種極其重要的化工節(jié)能設(shè)備，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。按結(jié)構(gòu)形式大致可分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、板式換熱器、U 形管板換熱器等，而固定管板式換熱器由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適用范圍較廣，較容易清洗維修等優(yōu)點(diǎn)受到大多數(shù)化工企業(yè)的青睞[1]。換熱管與管板間的連接是換熱器設(shè)計(jì)和制造中的最關(guān)鍵的技術(shù)之一，工作條件十分苛刻，多發(fā)事故，對(duì)連接質(zhì)量要求很高。而且管板作為固定管板式換熱器中最重要的零件之一，用來(lái)排布換熱管，同時(shí)連接管箱、殼體、管束，避免冷、熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用，受力情況比較復(fù)雜，相較于其他零部件，換熱器中管板的設(shè)計(jì)制造及強(qiáng)度驗(yàn)算更為重要。近年來(lái)，由于化工裝備行業(yè)的發(fā)展，化工企業(yè)的事故發(fā)生率也比較高，一旦在危險(xiǎn)工況下，設(shè)備若發(fā)生泄露、破損等情況，后果將不堪設(shè)想。

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以換熱器為主的過(guò)程裝備越來(lái)越向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，使得對(duì)零部件的常規(guī)設(shè)計(jì)方法受到?jīng)_擊。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)趨向于依靠數(shù)值模擬對(duì)固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，而且已有較多成果。許志鵬[2]考慮到換熱器存在一定的溫度載荷，對(duì)管板溫度場(chǎng)的分布規(guī)律作出分析，計(jì)算由溫度載荷導(dǎo)致的溫度載荷應(yīng)力分布，得出熱應(yīng)力的最大值在管板與殼體的連接處，溫度載荷引起的熱應(yīng)力對(duì)管板造成的影響很大。陳波等[3]采用ANSYS 軟件對(duì)換熱器管板整體進(jìn)行建模及數(shù)值模擬，針對(duì)溫度和壓力兩個(gè)因素對(duì)管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得出最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)，管板產(chǎn)生形變，隨固有頻率的增加，管板表面前后出現(xiàn)不規(guī)則變形且運(yùn)動(dòng)越發(fā)復(fù)雜的結(jié)論。

本文使用Workbench18.0 有限元分析軟件，建立有限元分析模型，劃分網(wǎng)格，并施加合理的邊界條件。對(duì)某換熱器管板進(jìn)行強(qiáng)度分析與模擬，綜合分析了管板在管程壓力、殼程壓力的共同作用下，此換熱器管板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況以及變形規(guī)律。

1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

換熱器要能完成年產(chǎn)數(shù)萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力，不會(huì)引起爆炸、泄露等危險(xiǎn)的發(fā)生，因此對(duì)裝備的制造精度、安裝精度、密封性都有著較高的要求，能保證一定的強(qiáng)度要求。嚴(yán)格按照GB/T151-2014《熱交換器》的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)設(shè)計(jì)及計(jì)算，此換熱器部分結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中管板的結(jié)構(gòu)與換熱管的排列方式如圖1 所示。

圖1 管板及換熱管排布方式

2 有限元分析模型及網(wǎng)格劃分

2.1 三維模型

根據(jù)上文給出的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Solid-Works2015 軟件對(duì)此型號(hào)換熱器的管板、筒體、換熱管部分進(jìn)行簡(jiǎn)易的三維建模，簡(jiǎn)化計(jì)算的難度，更加有利于管板區(qū)域的有限元分析。在此換熱器結(jié)構(gòu)中，根據(jù)圣維南原理，將作用在物體局部表面上的外力用另一組與其靜力等效的力系來(lái)代替，這種等效處理對(duì)物體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響將隨著離作用區(qū)距離的增大而迅速衰減[4-5]。因此可以直接忽略邊緣區(qū)域?qū)Q熱器主要研究區(qū)域的影響，模型中相對(duì)于管板殼程一端平面外伸的換熱管及外伸筒體長(zhǎng)度應(yīng)滿足邊緣效應(yīng)影響長(zhǎng)度公式：

式中△L 為邊緣效應(yīng)的影響長(zhǎng)度，mm；R 為換熱管外半徑或筒體外半徑，mm；t 為換熱管厚度或筒體厚度，mm。經(jīng)計(jì)算可得，換熱管邊緣效應(yīng)的影響長(zhǎng)度為30 mm，筒體邊緣效應(yīng)的影響長(zhǎng)度為440 mm[6]，模型如圖2 所示?？紤]到換熱器管板為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，載荷特性也滿足對(duì)稱(chēng)條件，因此在Geometry 模塊中將模型簡(jiǎn)化成其1/4 作為分析模型，有限元分析模型如圖3 所示。

圖2 換熱器模型

圖3 換熱器1/4 模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模擬過(guò)程必不可少，也是極為重要的步驟，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于計(jì)算精度和效率有重要的影響[7]。為了減少工作量，使用Workbench 中的自動(dòng)生成網(wǎng)格功能，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 mm。最終生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為170 438，單元數(shù)為85 524，網(wǎng)格劃分模型如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分模型

2.3 載荷約束及邊界條件

換熱器在進(jìn)行工作時(shí)，載荷的施加對(duì)換熱器有著非常重要的作用，因此在進(jìn)行有限元模型分析時(shí)添加正確的邊界約束條件及施加載荷也尤為重要，直接會(huì)影響最終的換熱器管板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況以及變形規(guī)律的結(jié)果。由于有限元分析模型采用的是換熱器1/4 模型，在對(duì)稱(chēng)面處施加對(duì)稱(chēng)約束。又管板兼做法蘭，需要約束法蘭螺栓孔的軸向位移。在管板的外邊側(cè)添加固定條件Fixed support，約束其各個(gè)方向的自由度，限制其位移量[8]。在此換熱器管板的兩側(cè)分別管程壓力及殼程壓力，其中管程壓力為0.35 MPa，殼程壓力為0.3 MPa，此次有限元分析不考慮重力條件對(duì)模擬過(guò)程的影響。

3 有限元分析結(jié)果

在分析模擬的過(guò)程中，Workbench 軟件對(duì)劃分的85524 個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行分析，ANSYS 將自動(dòng)對(duì)劃分網(wǎng)格的每個(gè)單元進(jìn)行分析，在本次模擬換熱器工作條件中主要對(duì)管板總變形量、應(yīng)力分布規(guī)律方面進(jìn)行結(jié)果分析，得到總變形量分布云圖及應(yīng)力分布云圖，如圖5、圖6 所示。

圖5 管板變形量分布云圖

圖6 管板應(yīng)力分布云圖

云圖中不同顏色分別顯示了管板上不同區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變程度，圖5 中出現(xiàn)一塊較小的紅色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域，即在管板中心區(qū)域總變形量最大，應(yīng)變程度最為明顯，變形位移量為0.640 24 mm。從管板中心向邊緣的延伸區(qū)域，變形量越來(lái)越小。其中，非布管區(qū)域及管板邊側(cè)的位移變形量最小，屬于安全工作區(qū)域，一般不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂狀況。從圖6 中可以看到最大應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管板與法蘭連接的螺栓孔處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，其中最大應(yīng)力值為37.172 MPa。綜合以上有限元分析結(jié)果，此換熱器管板基本符合強(qiáng)度要求，與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的情況相當(dāng)接近，符合安全生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

換熱器在使用過(guò)程中，管板由于受力情況較為復(fù)雜，相較于其他零部件更加敏感。本文參考借鑒了國(guó)內(nèi)外對(duì)換熱器管板的應(yīng)力分布情況的研究，采用了Ansys Workbench 軟件對(duì)某固定管板式換熱器管板工作時(shí)的狀況進(jìn)行有限元模擬分析，探究了管板的總變形量及應(yīng)力分布規(guī)律，總結(jié)出設(shè)備危險(xiǎn)工況時(shí)的原因，從一個(gè)較為客觀的角度為換熱器管板提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。