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)越來越復(fù)雜，對于偏心非均勻布管換熱器并沒有合適的計(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)方法對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的文章并不多，且大多針對規(guī)則均勻布管方式，而對于局部偏心非均勻布管結(jié)構(gòu)換熱器分析較少，且并沒有成熟的模型計(jì)算可供參考。本文以工程項(xiàng)目為例，對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，通過各種工況計(jì)算比對，對設(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)對換熱器進(jìn)行了局部簡化：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換熱器鞍座下部安裝的彈簧支座所中和，為簡化模型，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)力評定

通過計(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，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換熱管支撐，變形過大，導(dǎo)致布管區(qū)上部部分換熱管出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象。可見這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

(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，管板下部分沒有任何布管，無布管區(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)、有針對性地進(jìn)行檢驗(yàn)。