固定管板換熱器優(yōu)化設計分析

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【內(nèi)容摘要】由于管板厚度無法滿足拉脫力的要求，考慮優(yōu)化選擇合適厚度的管板。因此采用有限元方法對固定管板換熱器在3種不同厚度管板的工況下，分析計算換熱器管板的溫度及應力分布情況，可對換熱器的管板厚度進行優(yōu)化，在滿足拉脫力的情況下，選擇合適的管板厚度，以獲得一個經(jīng)濟又安全的設計結果。

【關鍵詞】換熱設備;固定管板;ANSYS;耦合場

一、引言

換熱設備是核電、化工、石油及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的設備，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適用性，至今仍占據(jù)主導地位。在固定管板換熱器中，殼體，管板和換熱管之間為剛性連接，在各種載荷作用下的變形必須互相協(xié)調(diào)。本文采用有限元分析的方法，計算固定管板換熱器在內(nèi)壓和溫度載荷耦合場的作用下，其管板所受的應力，并分別計算了不同厚度的管板所受的應力，以獲得管板厚度與應力的關系。

二、工作條件與結構

本文以核電廠的某冷卻器為例，該換熱器為固定管板式換熱器，殼體為Ф219.1×4mm，換熱管為Ф19×2mm，正三角形排列，管板上共布了26根管子，管板厚度為30mm，殼體厚度為4mm，殼側材料為022Cr19Ni10，管側材料為022Cr17Ni12Mo2。換熱器的設計參數(shù)如下:設計壓力:管程pt=0.66MPa，殼程ps=0.5MPa;設計溫度:管程進出口溫度為20℃～70℃，殼程流體發(fā)生相變，進出口溫度均為138.8℃。材料的彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為ν=0.3。換熱管與管板的連接采用脹焊并用的方法，焊接后進行脹接。在之前的工程中出現(xiàn)過該換熱器由于工廠工藝限制，無法滿足換熱器的管子和管板之間拉脫力的要求，為此工廠不斷提高脹接壓力試圖達到所需的拉脫力。隨著脹接力的增加，殘余接觸應力的峰值也會增加，使換熱管在脹管區(qū)和非脹管區(qū)的應力都不斷增加，令管板內(nèi)的換熱管發(fā)生開裂，并且制造廠在提高脹接壓力后發(fā)現(xiàn)換熱管的壁厚減薄率超出適用范圍，無法滿足設計需求，最后只能通過增加脹接距離的方法來提高拉脫力，但在非脹管區(qū)進行脹接需要工廠操作控制得當，否則容易損壞焊縫，因此不推薦該做法。通過經(jīng)驗反饋，吸取以往的工程經(jīng)驗，將本換熱器重新進行優(yōu)化設計，考慮將管板的厚度增加，以滿足拉脫力的要求。理論上增加管板的厚度相當于加強其剛度，是降低應力的一個措施，到底是不是這樣還需要計算所得，通過有限元分析來獲取一個合適的管板厚度。因此接下來利用ANSYS熱結構耦合場分析方法對管板進行分析。

三、有限元建模

以厚度為45mm的管板為模型，利用熱工計算出的換熱參數(shù)，對換熱器進行溫度場分析，完成熱分析后，再施加結構載荷再通過耦合場分析，獲得管板的應力，分別計算不同厚度的管板其應力的大小來獲得管板厚度與應力的關系，來選擇最合適的管板厚度。(一)載荷與邊界條件。為了提高計算的精度，真實模擬換熱管與管板連接處各個部件的應力狀態(tài)，管箱、管板、換熱管和殼體均采用實體單元，為減少計算量，利用對稱功能將其簡化為1/4的實體分析模型，在殼側只保留一部分的外伸換熱管和殼體，外伸長度，設置材料參數(shù)屬性，并對其進行網(wǎng)格劃分，(二)熱分析施加載荷與邊界條件。熱分析過程中，只為模型添加熱載荷，不需添加力邊界條件。首先為模型添加對流傳熱方式，設置換熱器內(nèi)部流體與換熱器壁面為對流邊界，根據(jù)熱工計算結果，分別輸入殼程和管程的對流傳熱系數(shù)11432.1W/m2℃與2407.1W/m2℃，對換熱管的外表面、殼程筒體內(nèi)表面和管板殼側表面施加138.8℃的溫度載荷，并對換熱管的內(nèi)表面、管箱內(nèi)表面和管板管程表面施加20℃的溫度載荷。(三)結構分析模型載荷與邊界條件。在熱分析后進行結構分析，此時在換熱器的殼側和管側施加相應的壓力載荷;壓力載荷施加完成后再將熱分析得到的溫度分析結果作為載荷加載到模型上。力邊界條件為，在換熱器的對稱面上施加位移約束。

四、計算結果

(一)熱分析結果。為換熱器的溫度場分布云圖，通過熱分析可清楚看出換熱器在正常工況下各處的溫度分布情況?？梢姎んw和管側筒體的溫度分布較為均勻，管板與殼側筒體連接區(qū)域的溫度梯度較大。最大應力發(fā)生在管板與殼體連接的地方，靠近底部;分析原因，一是管板與殼體連接處溫度變化劇烈，從高溫急劇變化到低溫，該區(qū)域存在較大的溫差，于是受到的應力急劇增大;二是殼體與管板的厚度相差較大，造成了連接處的不連續(xù)性，形成了局部的應力集中;三是管板材料為022Cr17Ni12Mo2，殼體材料為022Cr19Ni10，兩種不同的材料性能存在差異。(二)結構分析結果。結構分析時，將熱分析的結果導入到結構分析模塊中，溫度場分析所得的節(jié)點溫度作為載荷施加到模型上，同時施加力邊界條件，可見最大應力值發(fā)生在管板與管程筒體的連接處，其他較大應力的位置是殼程筒體與管板連接處和管板開孔的位置，這三個位置均為結構不連續(xù)位置，因為得到的應力較大。對其進行應力線性化，對應力進行評定，換熱器滿足工作要求，結構安全可靠。(三)管板厚度對比分析。以上的分析是以管板厚度45mm為例，獲得換熱器所受的應力，為了獲得不同管板厚度下?lián)Q熱器的應力分布，本節(jié)分別選擇管板厚度為30mm，45mm和60mm對其進行熱分析與結構分析應力計算，可見當管板的厚度達到一定值后，增加管板的厚度并未降低所受應力，原因在于殼體壁厚較小(4mm)，兩者的剛度相差較大，換熱器結構的變形和應力主要由管板和殼體之間的溫度載荷及內(nèi)壓引起，由于增加了管板的厚度，管板抵抗變形的剛度變大，對與之連接的殼體有較強的約束，形成局部的應力集中。因此選擇管板厚度45mm是比較合適的。經(jīng)工廠驗證，在該脹接距離下脹接壓力不超過200MPa就可以達到所需的拉脫力，管子的壁厚減薄率也滿足要求。

五、結語

第一，殼側與管側的溫差較大，由于溫差的存在會形成較大的溫差應力，因為溫度載荷對管板會造成較大的熱應力，因此對溫差較大的換熱器進行結構熱耦合分析非常必要。第二，在施加了熱載荷和力邊界條件后，發(fā)現(xiàn)最危險的區(qū)域沒有發(fā)生在管板上，而是發(fā)生管板與殼體的連接處，因該處結構不連續(xù)，容易形成較大的應力。第三，管板厚度的增加并不一定能降低應力，管板的厚度需與殼體的厚度相匹配，以免造成局部的應力集中。采用有限元分析的方法將溫度場和結構分析相耦合，通過計算管板在壓力載荷和溫度載荷聯(lián)合作用下的應力，優(yōu)化了管板的厚度，使其既滿足了拉脫力的要求又滿足了經(jīng)濟性要求，為管板強度的設計提供了借鑒。

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作者:李媛 單位:中國核電工程有限公司