許進(jìn)文，巢建偉

(常州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

管板是管殼式換熱器的主要部件之一，常規(guī)的管板設(shè)計方法是用等效無孔實心板來代替多孔管板，采用比較簡單的公式、曲線、圖表進(jìn)行設(shè)計計算[1]。由于換熱器管板結(jié)構(gòu)多樣而且受力情況復(fù)雜，采用簡化力學(xué)模型基礎(chǔ)上建立的解析計算已經(jīng)無法真正實現(xiàn)管板強度的有效計算，特別是一些結(jié)構(gòu)特殊的管板更是難以應(yīng)用現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計和評定[2-3]。因此在數(shù)值計算方法中尋求解決方案成為實現(xiàn)管板強度有效計算的途徑[4-5]。為滿足特定工藝條件要求，某項目設(shè)計了一種具有異形管板結(jié)構(gòu)的回路冷卻器，文章利用ANSYS分析軟件，對該特殊結(jié)構(gòu)換熱器的異形管板及其相應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析與評價，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)力分析提供了一種思路和方法。

1 回路冷卻器結(jié)構(gòu)介紹

該回路冷卻器是一種采用方形布管的浮頭式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該換熱器固定管板采用不兼做法蘭的圓形管板，但采用了方形的布管結(jié)構(gòu)，浮動端管板為方形，其巧妙的結(jié)構(gòu)及獨特的管束布置，實現(xiàn)了換熱器的高效率、大流量、大溫差、低阻力傳熱，滿足了特定的工藝要求。

圖1 回路冷卻器結(jié)構(gòu)圖

該回路冷卻器總體設(shè)計屬常規(guī)設(shè)計，可按GB150-2011《壓力容器》及GB/T151-2014《熱交換器》進(jìn)行。但其方形布管的固定管板以及方形浮動管箱及浮動管板的強度計算超出了上述國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，可采用有限元法進(jìn)行，評定方法參照J(rèn)B4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，許用應(yīng)力仍按GB150-2011中的有關(guān)規(guī)定選取。該回路冷卻器管程設(shè)計壓力2.9MPa、設(shè)計溫度-34/50℃，殼程設(shè)計壓力為4.3 MPa，設(shè)計溫度均為-34/150 ℃，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 有限元分析

2.1 模型的建立

2.2 網(wǎng)格劃分

此次計算采用實體單元，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，雖然這樣的模型將使得整個有限元計算的節(jié)點數(shù)大大增加，計算所需的計算機資源及時間也隨之大大增加，但這樣可以真實反映臭氧發(fā)生器在壓力載荷作用下的應(yīng)力特征。結(jié)構(gòu)分析采用8節(jié)點六面體單元solid 45，有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

2.3 載荷與約束

方管箱、圓管箱、換熱管內(nèi)側(cè)表面和兩側(cè)管板的管程側(cè)表面受管程均布內(nèi)壓作用(2.9 MPa)；方管箱外表面、殼程側(cè)筒體、換熱管外側(cè)表面和兩側(cè)管板的殼程側(cè)表面受殼程均布內(nèi)壓作用(4.3 MPa)，在殼程側(cè)外筒體端部施加軸向平衡面載荷，圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)分布的對稱特點，在各對稱面上施加對稱約束，為防止容器整體的軸向剛體位移，令筒體上端面軸向位移為零。

2.4 工況選擇

將管程壓力載荷、殼程壓力載荷與溫度載荷等三種載荷工況進(jìn)行組合，可以得到包括開工、正常工作和停工過程中可能會出現(xiàn)的七種瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作工況，如表2所示。

表2 危險工況組合

由于此換熱器為浮頭式結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力可以不考慮，所以，上面的七種工況可以不考慮工作溫度的影響，下面計算主要考慮三種載荷工況：(1)只有管程壓力Pt作用；(2)只有殼程壓力Ps作用；(3)管程和殼程同時有壓力作用Pt+Ps。

3 結(jié)果分析

通過對以上三種工況的有限元分析，確定最危險工況組合為管程先停的瞬間(Ps)，即殼程壓力載荷作用在筒體時為最危險工況，此時，管板上的應(yīng)力最大。下面以最危險工況組合給出計算結(jié)果。

3.1 總體應(yīng)力強度分布

換熱器上應(yīng)力強度分布情況如圖3所示。應(yīng)力強度的最大值出現(xiàn)在圖中管板與筒體的連接處(圖中MX標(biāo)示處)，最大值為128.869 MPa，由于該處為結(jié)構(gòu)的筒體部位，其應(yīng)力主要包含一次薄膜應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值180 MPa，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域也是安全的。

圖3 換熱器總體應(yīng)力強度分布云圖

3.2 浮頭端管板

浮頭端管板應(yīng)力強度分布云圖如圖4所示。應(yīng)力強度的最大值出現(xiàn)在管板邊緣(圖中MX標(biāo)示處)區(qū)域，最大值為123.501 MPa，由于該處的幾何突變的存在，其應(yīng)力屬于含峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值可以放大3倍，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖4 浮頭端管板應(yīng)力強度分布云圖

3.3 浮頭管箱

浮頭管箱應(yīng)力強度分布云圖如圖5所示。應(yīng)力強度的最大值出現(xiàn)在方管箱筒體與蓋板連接區(qū)域，最大值為88.505 MPa，由于該處應(yīng)力包含二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力成分，根據(jù)應(yīng)力分析的理論，應(yīng)力許用值可以放大3倍，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖5 方管箱應(yīng)力強度分布云圖

3.4 固定管板

筒體側(cè)固定管板的應(yīng)力強度分布云圖如圖6所示。應(yīng)力較大的區(qū)域在靠近中心附近的中心管周圍，同時在筒體與管板連接的區(qū)域也具有較高的應(yīng)力水平。兩者的應(yīng)力最大值比較接近，最大應(yīng)力為90.0742MPa，小于3倍應(yīng)力強度。因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。

圖6 筒體側(cè)的管板介質(zhì)側(cè)的應(yīng)力強度分布云圖

3.5 換熱管

圖7 換熱管的應(yīng)力強度分布云圖

圖8 換熱管軸向應(yīng)力分布云圖

換熱管的應(yīng)力強度分布云圖如圖7所示。應(yīng)力較大的區(qū)域在靠近中心管與管板的連接區(qū)域附近，這是由于管板與換熱管需要變形協(xié)調(diào)所造成的，而其它換熱管中的應(yīng)力強度則非常小，從圖中看，最大應(yīng)力為104.452 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此在這些應(yīng)力最大區(qū)域是安全的。圖8是換熱管中的軸向應(yīng)力，其軸向拉壓應(yīng)力均小于51.074 MPa，換熱管的軸向拉脫力也符合許用應(yīng)力要求。

4 結(jié)論

通過以上設(shè)計壓力下對回路冷卻器管板部位有限元分析可以得出：該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在筒體部位，小于其許用應(yīng)力。管板與筒體、換熱管等的連接部位，該區(qū)域的應(yīng)力由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起，此處的應(yīng)力有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力，按應(yīng)力強度校核低于材料許用應(yīng)力的3倍。換熱管與管板連接靠近中心的狹小區(qū)域的應(yīng)力強度值低于材料許用應(yīng)力的1.5倍；換熱管的等效應(yīng)力及軸向應(yīng)力小于許用應(yīng)力。因此，回路冷卻器管板結(jié)構(gòu)設(shè)計以及方管箱的設(shè)計是安全的。

針對回路冷卻器特殊的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件，對其異形結(jié)構(gòu)管板及相應(yīng)區(qū)域在三種危險組合操作工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，分別得出相應(yīng)的方形布管的固定管板、浮動方管箱、方管板及換熱管的應(yīng)力分布規(guī)律。相關(guān)結(jié)果為該回路冷冷卻器的設(shè)計制造提供了理論依據(jù)，并對該類型特殊結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備應(yīng)力分析與評價提供了一種思路與方法。

參考文獻(xiàn)

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