郭學雙* 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構，這種結構比螺栓墊片連接更能確保密封效果，結構質(zhì)量更小、成本更低[1-2]。近年來，因化工生產(chǎn)工藝需求，管程側(cè)與橢圓封頭連接的N 型管板特殊結構被廣泛應用，這與GB/T 151—2014《熱交換器》標準要求的連接結構有出入，給設計工作帶來了較大難度。以一臺與橢圓封頭連接的N 型固定管板換熱器為例，從設計計算方法、局部應力分析等方面進行了詳細的分析。

1 管板設計計算

1.1 設計參數(shù)

管板設計參數(shù)如表1 所示。

1.2 結構設計

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構可見圖2。

1.3 設計計算方法

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構，因此殼體和管箱對管板的變形具有約束作用，在按照GB/T 151—2014 標準進行管板設計時,殼體和管箱的厚度非常重要。管程側(cè)殼體僅有封頭結構，若按GB/T 151—2014標準中7.4.1.1以及7.4.6條規(guī)定應為管箱圓筒與管板連接，按照該標準中的方法來計算并不合適，因此采用JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》（2005年確認）以及TEMA計算進行類比，來確定合適的設計厚度，計算結果如表2所示。

表1 管板設計參數(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構（單位：mm）

表2 設計計算方法比較

通過計算發(fā)現(xiàn)，TEMA 方法計算得到的管板厚度最大，按GB/T 151—2014 標準方法計算的管板厚度最小，按JB 4732—1995（2005 年確認）標準方法計算的管板厚度居中，結合工程實例[3]， TEMA 計算結果是較為保守。在DN＜800 mm 或DN ≥1400 mm 范圍內(nèi)，TEMA 方法計算結果相比GB/T 151—2014 標準方法計算結果而言更為可靠，由于TEMA 計算過于簡化，選用SW6 軟件按JB 4732—1995（2005 年確認）標準方法計算管板厚度，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構不連續(xù)的高應力區(qū)域，但GB /T 151—2014標準方法并不校核連接處的應力，僅校核殼體的平均軸向應力，管程側(cè)筒體或者殼程側(cè)筒體需要明顯加厚，按照JB 4732—1995（2005 年確認）標準算法得到的結果不如GB/T 151—2014 標準方法經(jīng)濟。這是因為JB 4732—1995（2005 年確認）標準算法增加了管程側(cè)筒體端部和殼程側(cè)筒體端部總應力的校核，而是壓力載荷單獨作用下的管程側(cè)筒體端部和殼程側(cè)筒體端部總應力超標，導致管程側(cè)筒體或殼程側(cè)筒體厚度增加[4]，有限元分析時考慮了管板與殼體端部連接處的過渡圓角結構，而SW6 計算軟件中的JB 4732—1995（2005 年確認）標準分析方法沒有考慮圓角過渡，而圓角結構能夠顯著減小筒體端部的薄膜應力和彎曲應力，大大改善管板與殼體連接處的應力[5]。

根據(jù)以上分析可知，采用SW6 軟件中JB 4732—1995（2005 年確認）標準計算方法得出的筒體端部應力結果不合格，采用ANSYS 軟件進行校核計算比較合理。

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

2 應力分析

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力，因此忽略開孔接管、封箱接頭及支座。采用實體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)幾何結構與載荷的對稱性，計算分析時采用設備的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

對該換熱器的應力分析設計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 應力評定

對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6 種工況下管板各部位進行詳細的應力計算。針對管板的較大應力點處選取多條路徑進行線性化處理，根據(jù)JB 4732—1995（2005 年確認）標準進行應力分類的原則對其進行應力評定，結果可見表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 結論

（1）與橢圓封頭連接的N 型固定管板結構不符合GB/T 151—2014 標準中的理論模型。

（2）GB/T 151—2014 標準中的方法沒考慮管板與殼體連接結構處存在最大應力值的情況，因此該方法未必能確保設備安全運行。

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 型固定管板結構可采用SW6 軟件計算并初步確定管板厚度，管板與殼體連接處的局部結構可按JB/T 4732—1995 標準中的應力分析方法加以補充，得到合理的計算結果，使設計文件更加完善，確保設備安全運行。