摘" " " 要：應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，考慮壓力載荷和溫度載荷對(duì)管板整體應(yīng)力分布的影響，采用順序耦合法對(duì)發(fā)夾式循環(huán)冷卻器的熱端管板在7種工況下進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。結(jié)果表明：在壓力載荷與溫度載荷共同作用下，管板最大等效應(yīng)力為329.9 MPa，位于布管區(qū)內(nèi)換熱管與管板連接處。殼程先停工況下管板的最大等效應(yīng)力值最大值為332.5 MPa，是發(fā)夾式循環(huán)冷卻器管板的最危險(xiǎn)工況。在對(duì)管板上最大等效應(yīng)力處進(jìn)行當(dāng)量線性化處理，結(jié)合分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果均合格。

關(guān)" 鍵" 詞：發(fā)夾式換熱器；管板；有限元分析；應(yīng)力線性化；強(qiáng)度評(píng)定

中圖分類號(hào)：TQ051.5" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2024）04-0545-04

發(fā)夾式換熱器因其外形形似發(fā)夾而得名，其外形結(jié)構(gòu)可視為單管程、單殼程、管束為U型的固定管板式換熱器[1]。與傳統(tǒng)換熱器相比，發(fā)夾式換熱器具有換熱效率高、管板溫差應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)[2]。如何依據(jù)換熱器形式以及選擇合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行管板設(shè)計(jì)是換熱器設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)重要工作[3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用有限元軟件輔助管板設(shè)計(jì)進(jìn)行了很多工作[4-9]。陳杰[5]等利用ANSYS有限元軟件對(duì)LNG繞管式換熱器管板及其相連的管箱、換熱器殼體進(jìn)行了整體建模和多工況下的有限元應(yīng)力分析。通過(guò)增加短節(jié)厚度的方式解決了管箱短節(jié)處局部薄膜應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。張睿明[9]等利用ANSYS有限元軟件中的Workbench模塊針對(duì)U型管換熱器的管板進(jìn)行了熱固耦合分析，比較了三角形與正方形布管方式對(duì)管板熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的影響，為特定工況下選擇合適的布管方式提供了理論依據(jù)。本文以發(fā)夾式循環(huán)冷卻器的管板為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS有限元軟件，采用順序耦合法在壓力載荷的基礎(chǔ)上考慮溫度載荷的作用，對(duì)管板在" "7種工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。在典型路徑線性化處理的基礎(chǔ)上，依據(jù)分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，并依據(jù)管板應(yīng)力分布對(duì)開(kāi)停工提出建議。

1" 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為某化肥生產(chǎn)中所需的發(fā)夾式循環(huán)冷化器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。殼程介質(zhì)為氫氣，設(shè)計(jì)壓力3.36 MPa，設(shè)計(jì)溫度180 ℃；管程介質(zhì)為水，設(shè)計(jì)壓力0.75 MPa，設(shè)計(jì)溫度85 ℃。換熱管外徑19 mm，厚度2 mm，管間距23.8 mm。管板材料為316L，依據(jù)等效多孔板理論計(jì)算得出管板厚35 mm，結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2所示。管程介質(zhì)上進(jìn)下出，殼程介質(zhì)下進(jìn)上出，下端管板為熱端管板。相比于冷端管板，熱端管板在工作中所受到的管、殼程介質(zhì)溫差更大，本文以熱端管板為研究對(duì)象。

2" 靜力學(xué)分析

2.1" 建立模型與劃分網(wǎng)格

應(yīng)用SolidWorks建立包含管板、換熱管、殼程筒體及連接法蘭在內(nèi)的模型。依據(jù)圣維南原理[10]，取換熱管長(zhǎng)度70 mm、殼程筒體長(zhǎng)度170 mm建立模型。由于管板的結(jié)構(gòu)與載荷均為對(duì)稱分布，因此取管板的四分之一模型進(jìn)行分析。

使用ANSYS提供的SOLID186單元（20節(jié)點(diǎn)六面體）及SOLID187單元（10節(jié)點(diǎn)四面體）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。采用掃略法對(duì)換熱管與殼程筒體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用四面體法對(duì)管板及連接法蘭進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在模型不同位置設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸，將管板及換熱管作為分析重點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸為4 mm，較為精細(xì)；非分析重點(diǎn)的連接法蘭及殼程筒體的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8 mm。網(wǎng)格劃分共得到166 310個(gè)節(jié)點(diǎn)，95 691個(gè)單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.83，滿足有限元分析所需的網(wǎng)格質(zhì)量要求，結(jié)果如圖3所示。

2.2" 施加載荷與邊界條件

在管板殼程側(cè)面、換熱管外壁面及殼程筒體內(nèi)壁面施加殼程壓力載荷3.36 MPa，在管板管程側(cè)、換熱管內(nèi)壁面及連接法蘭內(nèi)壁面施加管程壓力載荷0.75 MPa，在管板及連接法蘭的墊片接觸面上施加墊片預(yù)緊力11 342 N[11]。對(duì)換熱管及管板等各端面施加相應(yīng)的位移約束，在模型軸向的2個(gè)垂直對(duì)稱面施加對(duì)稱面約束。

本文對(duì)換熱器以下7種危險(xiǎn)工況進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度評(píng)定，不同工況下管板所受載荷如表1所示。

2.3" 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)有限元分析后，得出7種工況下管板的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4（a）至圖4（c）開(kāi)工工況下，管板僅承受管、殼程的壓力載荷而不承受溫度載荷的作用，應(yīng)力值均較低，最大等效應(yīng)力僅為61.6 MPa，因此不進(jìn)行詳細(xì)討論。

換熱器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和停工時(shí)，需要在壓力載荷的基礎(chǔ)上考慮溫度載荷對(duì)管板的影響。采用順序耦合法考慮溫度載荷的作用，該方法按順序進(jìn)行2次或更多次相關(guān)場(chǎng)分析，將第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)分析的載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)2種場(chǎng)的耦合。換熱器管程操作溫度為37 ℃，殼程操作溫度為139 ℃，通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱分析得到運(yùn)行狀態(tài)下管板的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，將管板穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的分析結(jié)果作為溫度條件載荷添加至管板之上，再進(jìn)行靜力場(chǎng)分析。由圖4（d）可知，穩(wěn)態(tài)工況下，管板的最大應(yīng)力為329.9 MPa，位于換熱管與管板連接處。布管區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布復(fù)雜，管板開(kāi)孔處應(yīng)力值較大為217 MPa，孔橋處的管板應(yīng)力值下降至146 MPa左右。

停工時(shí)，可分為管程停止、殼程停止和管殼程同時(shí)停止3種情況。由圖4（e）可知，管程停止工況下，管板的最大應(yīng)力為329.7 MPa，位于換熱管與管板連接處。與穩(wěn)態(tài)工況相比，管程停工時(shí)管板布管區(qū)孔橋處146 MPa應(yīng)力區(qū)域的分布范圍會(huì)擴(kuò)大。由圖4（f）可知，殼程停止工況下，管板的最大應(yīng)力為332.5 MPa，位于換熱管與管板連接處。與穩(wěn)態(tài)工況及管程先停工況相比，殼程停工時(shí)管板布管區(qū)孔橋處146 MPa應(yīng)力區(qū)域的分布范圍相應(yīng)縮小。由圖4（g）可知，管程與殼程同時(shí)停工時(shí)，管板的最大應(yīng)力為326.8 MPa，位于換熱管與管板連接處，應(yīng)力值略小于穩(wěn)態(tài)工況。管、殼程同時(shí)停工時(shí)管板布管區(qū)域內(nèi)孔橋處146 MPa應(yīng)力區(qū)域的分布范圍與穩(wěn)態(tài)工況下的分布范圍基本相同。

3" 強(qiáng)度評(píng)定

為保證發(fā)夾式換熱器的安全使用，應(yīng)用《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB4732—1995）對(duì)管板進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定[12]。沿厚度方向，選取管板等效應(yīng)力最大值所在路徑的應(yīng)力分量作為評(píng)定依據(jù)，應(yīng)力最大值位置見(jiàn)圖4紅色標(biāo)記。

對(duì)路徑做線性化處理后可得薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和總應(yīng)力，其中一次應(yīng)力反映結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效和彈性變形程度，結(jié)合二次應(yīng)力保證結(jié)構(gòu)的可靠性。有溫差作用的工況下針對(duì)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和進(jìn)行評(píng)定；而只有壓力作用的工況下，在管板處只針對(duì)一次薄膜應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，在管板與筒體連接處針對(duì)一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和進(jìn)行評(píng)定。

依據(jù)上述原則進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，7種工況下管板強(qiáng)度均滿足要求，殼程先停工況下管板的最大等效應(yīng)力值為332.5 MPa，為換熱器管板的最危險(xiǎn)工況。正常工作、管程先停、殼程先停和管殼程同時(shí)停工等4種工況下，管板最大等效應(yīng)力值相差不多，均在330 MPa左右。

為了合理操作換熱器開(kāi)關(guān)，結(jié)合不同工況下管板等效應(yīng)力云圖考慮，需要正確控制不同介質(zhì)進(jìn)出換熱器的順序。在開(kāi)工時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟管程低溫介質(zhì)開(kāi)關(guān)，防止殼程高溫介質(zhì)突然出現(xiàn)對(duì)管板造成較大應(yīng)力；停工時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉殼程高壓介質(zhì)開(kāi)關(guān)，防止殼程高壓介質(zhì)單獨(dú)存在，增強(qiáng)管板應(yīng)力。

4" 結(jié) 論

采用ANSYS有限元軟件，基于順序耦合法，考慮壓力載荷和溫度載荷的共同作用，對(duì)發(fā)夾式換熱器管板在開(kāi)工、使用和停工7種工況下的受力情況進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）在壓力載荷與溫度載荷的共同作用下，發(fā)夾式換熱器管板的換熱管與管板連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，管板最大等效應(yīng)力值為329.9 MPa。在殼程先停工況下，管板的應(yīng)力值最大為332.5 MPa，是" " "7種工況中的最危險(xiǎn)工況。

2）對(duì)管板上應(yīng)力進(jìn)行當(dāng)量線性化處理后，依據(jù)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB" " " " 4732—1995）進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，該發(fā)夾式換熱器的管板在7種工況下均滿足強(qiáng)度評(píng)定要求。

3）考慮不同工況下管板的應(yīng)力分布情況，應(yīng)該正確控制不同介質(zhì)進(jìn)出換熱器的順序。在開(kāi)工時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟低溫介質(zhì)開(kāi)關(guān)；停工時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉高壓介質(zhì)開(kāi)關(guān)。

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Stress Analysis and Strength Evaluation ofTubesheet of Hairpin Heat Exchanger

SUN Mengying， GUO Chaoyue， LI Zhuoqun， LIU Zhuang

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110020， China）

Abstract：" Using ANSYS finite element analysis software， considering the influence of pressure load and temperature load on the whole stress distribution of tubesheet， the finite element stress analysis of hot end tubesheet of hairpin circulating cooler was carried out by using sequence coupling method under seven working conditions. The results showed that under the combined action of pressure load and temperature load， the maximum equivalent stress of the tubesheet was 329.9 MPa， which was located at the connection between the heat exchange tube and the tubesheet in the tube distribution area. The maximum equivalent stress value of tubesheet was 332.5 MPa under shell program stop condition， which was the most dangerous condition of tubesheet of hairpin circulating cooler. The maximum equivalent stress on the tubesheet was treated with equivalent linearization， and the strength was evaluated according to the analysis and design standards.

Key words： Hairpin heat exchanger; Tubesheet; Finite element method; Stress linearization