偏心非均勻布管換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

雷 曉 卜 凡 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

由于現(xiàn)行熱交換器標(biāo)準(zhǔn)GB /T 151-2014[1]中的計(jì)算公式適用于對(duì)稱均勻布管的管板，但隨著工藝的提升，換熱器結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于偏心非均勻布管換熱器并沒(méi)有合適的計(jì)算模型，因此，此類換熱器可以采用有限元分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算以確保其安全可靠性。目前，采用分析設(shè)計(jì)方法對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的文章并不多，且大多針對(duì)規(guī)則均勻布管方式，而對(duì)于局部偏心非均勻布管結(jié)構(gòu)換熱器分析較少，且并沒(méi)有成熟的模型計(jì)算可供參考。本文以工程項(xiàng)目為例，對(duì)管束局部偏心非均勻布置的換熱器結(jié)構(gòu)用ANSYS建模進(jìn)行有限元分析，通過(guò)各種工況計(jì)算比對(duì)，對(duì)設(shè)備強(qiáng)度及換熱管拉脫力和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行評(píng)定，提出參考性改進(jìn)方案，為同類型設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

某項(xiàng)目一塔頂固定管板換熱器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 偏心非均勻布管換熱器簡(jiǎn)圖

換熱器殼程筒體上部需要一定的蒸發(fā)空間，管束局部偏心非均勻布置，換熱管主要集中于管板的中上部分，管板下半部的非布管區(qū)面積占比較大，上半部分和下半部分均沒(méi)有布管，是典型的偏心非均勻布管換熱器。換熱器筒體內(nèi)直徑為DN2600 mm，殼程筒體厚度20 mm，管程筒體厚度20 mm，殼體中間下部有一個(gè)DN2300 mm 的大直徑接管，在換熱器右端設(shè)計(jì)有一個(gè)膨脹節(jié)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

換熱器主要受壓元件材料及設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)見表2。

表2 換熱器主要受壓元件材料及關(guān)鍵參數(shù)

1.2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

為保證模型的保真性，對(duì)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模。管板為偏心非均勻布管，且與殼體焊接的大開孔和膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)已超出常規(guī)計(jì)算范圍，需進(jìn)行有限元分析[2]。本文重點(diǎn)考察管板、膨脹節(jié)及換熱管的安全性能。

為降低模型復(fù)雜程度，提高計(jì)算速度，在不影響計(jì)算精度的情況下，建模時(shí)對(duì)換熱器進(jìn)行了局部簡(jiǎn)化：殼程小接管不做考慮，折流板、擋板和拉桿不做考慮。換熱管為典型的薄壁結(jié)構(gòu)，采用SHELL181單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，將換熱管與管板連接部位一體化考慮，即忽略焊接接頭的影響，其他部位(包括換熱管與管板連接部位)采用SOLID185單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。局部模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

1.3.1 位移邊界條件

模型分析中對(duì)左管板外側(cè)端面施加環(huán)向和軸向約束，設(shè)置其環(huán)向和軸向位移為0，以限制換熱器各方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3.2 載荷邊界條件

溫度場(chǎng)邊界條件設(shè)置為: 邊界1(管程側(cè)管板和換熱管壁面)施加金屬壁溫68℃;邊界2(殼程筒體內(nèi)表面)施加金屬壁溫119℃、管板內(nèi)外壁溫差為51℃。設(shè)備外壁面有保溫層隔熱，外壁面按絕熱邊界處理。換熱器殼體中部的DN2300大開孔與外部設(shè)備焊接連接，其所承受外載荷有很大一部分通過(guò)換熱器鞍座下部安裝的彈簧支座所中和，為簡(jiǎn)化模型，故忽略了DN2300的管口載荷。

換熱器殼程和管程分別有正壓和負(fù)壓工況，各分析計(jì)算工況見表3。

表3 分析計(jì)算工況

分析計(jì)算中需考慮表3中所列出的四種工況，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將case4工況與case3工況合并。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度應(yīng)力評(píng)定

通過(guò)計(jì)算，各設(shè)計(jì)工況下的總應(yīng)力云圖見圖3～圖5。

圖3 Case1工況應(yīng)力云圖

圖4 Case2工況應(yīng)力云圖

圖5 Case3工況應(yīng)力云圖

2.2 換熱管拉脫力和穩(wěn)定性校核

換熱器除了要保證受壓件強(qiáng)度合格，還要重點(diǎn)校核換熱管拉脫力和穩(wěn)定性，可參照《熱交換器》GB/T 151—2014。

2.2.1 換熱管拉脫力校核

本換熱器模型各工況均考慮計(jì)入膨脹變形差，則換熱管拉脫力應(yīng)滿足下式：

|q|=|σta/(πdl)|≤3[q]

通過(guò)計(jì)算，各工況下?lián)Q熱管軸向應(yīng)力云圖見圖6～圖8。

圖6 Case1工況換熱管軸向應(yīng)力云圖

圖7 Case2工況換熱管軸向應(yīng)力云圖

圖8 Case3工況換熱管軸向應(yīng)力云圖

可以看出，換熱管出現(xiàn)明顯變形，兩端向上翹曲。這是由于本換熱器管板偏心不均勻布管所致，因?yàn)楣馨逯邢虏繜o(wú)任何布管，管板變形時(shí)缺乏換熱管支撐，管板中下部變形相對(duì)較大，使得換熱管出現(xiàn)兩端向上翹曲變形，布管區(qū)下部分換熱管受到拉伸，而布管區(qū)上部分換熱管受到壓縮的現(xiàn)象。

根據(jù)各工況下?lián)Q熱管的軸向最大應(yīng)力換算成換熱管的拉脫力進(jìn)行校核。校核結(jié)果見表4。

表4 換熱管拉脫力校核

可以看出各工況下?lián)Q熱管的拉脫力均滿足要求。

2.2.2 換熱管穩(wěn)定性校核

管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力：

或者管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力：

各工況下?lián)Q熱管的穩(wěn)定性校核見表5。

表5 換熱管穩(wěn)定性校核

其中case1和case2工況下?lián)Q熱管穩(wěn)定性校核通過(guò)，但其最大壓應(yīng)力已經(jīng)接近許用值，而case3工況下最大壓應(yīng)力明顯超過(guò)許用值，理論上在不考慮換管支撐板(折流板)結(jié)構(gòu)情況下，換熱管會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)。這是因?yàn)樵诖斯r下，管板管程側(cè)壓力為正，管板殼程側(cè)壓力為負(fù)，因此對(duì)換熱管軸向產(chǎn)生擠壓作用力。同時(shí)由于換熱器管板中下部無(wú)換熱管支撐，變形過(guò)大，導(dǎo)致布管區(qū)上部部分換熱管出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象?？梢娺@種換熱管偏心不均勻布管的換熱器較容易出現(xiàn)換熱管受壓失穩(wěn)。為了既能滿足換熱器的工藝性能又能保證換熱器安全可靠性，降低換熱管軸向壓應(yīng)力，需要對(duì)本換熱器進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以采用在管板下半部分增加筋板，提高管板和殼體下半部分的剛性的方法[4](內(nèi)側(cè)加強(qiáng)法)或管板與殼體連接的外邊緣處，每個(gè)法蘭螺栓孔之間增加一塊筋板的方法[5](外側(cè)加強(qiáng)法)，在滿足一定條件下，可以降低換熱管軸向應(yīng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 管板偏心不均勻布管換熱器在操作工況下，管板管程側(cè)壓力為正，管板殼程側(cè)壓力為負(fù)，對(duì)換熱管軸向產(chǎn)生擠壓作用力。由于換熱管集中布置在管板中上部分，管板下部分沒(méi)有任何布管，無(wú)布管區(qū)域占比較大，因此管板下半部分剛度較小，在溫差作用下，形變自由度較大，布管區(qū)上半部分換熱管明顯受壓，下半部分換熱管明顯受拉。建議此類換熱器應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)。

(2) 布管區(qū)換熱管軸向應(yīng)力由于受非布管區(qū)變形彎曲應(yīng)力的影響，由非布管區(qū)到布管區(qū)、由布管區(qū)外圍向中心呈逐漸遞減的狀態(tài)，且由拉到壓。在后期的換熱器定期檢驗(yàn)中，應(yīng)根據(jù)換熱管的應(yīng)力分布情況，有重點(diǎn)、有針對(duì)性地進(jìn)行檢驗(yàn)。