隔膜密封换热器中隔膜密封盘的应力分析计算

龚 雪，谢禹钧

（ 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

隔膜密封换热器中隔膜密封盘的应力分析计算

龚 雪，谢禹钧

（ 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

主要利用ANSYS有限元软件对隔膜换热器的隔膜密封盘进行密封判断和应力分析，验证了密封结构的零泄漏密封，同时获得了密封结构的应力强度分布图，从图中得出密封盘位置并不是应力最大的部位，是安全可靠的，可应用在实际工程中。在获得线性化应力分析结果的基础上，通过定义路径对隔膜密封盘进行强度校核，经过分析计算后，获得了各路径上的应力值，从而满足JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》中强度要求。

ANSYS； 隔膜密封盘； 应力分析； 强度校核

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。加氢装置是石油化工产品加工的关键设备，由于设备的操作压力和温度均较高，介质属于易燃、易爆的油气类，操作条件十分苛刻。而换热器在加氢装置中又占有很大的比重，其重要性可见一般。因此换热器一旦泄漏，后果将十分严重，为了使该类高压换热器在高效换热及操作安全可靠的前提下工作，在加氢装置中已经使用了一种新型的高压加氢换热器——隔膜密封式高压换热器，在各大炼油厂、化工装置中的诸多加氢装置中，它以操作周期长、密封性能可靠等优点而被广泛应用。

1 隔膜换热器的基本结构及特点

1.1 隔膜换热器的结构

隔膜换热器的基本结构如图1所示。由外壳部件（主体材料为15CrMoR+堆焊）和管束部件（主体材料为0Cr18Ni10Ti）两部分组成，其中管束部件与普通高压换热器中管束的结构相同，不同的是管板将换热器内部空间分成管程和壳程两部分，管箱和壳程筒体结构都是焊接在一起的完整筒体，省去了传统大法兰式换热器在连接管、壳程时的两片设备法兰，采用这种结构使设备本身更加紧凑，管、壳程进出口接管尽可能的靠近管板，不仅增加了换热管有效的换热长度，而且很好地解决了因设备向大型化和高参数化方向发展带来的密封等问题[1]。

图1 隔膜换热器的基本结构Fig.1 The basic structure of the heat exchanger membrane

1.2 隔膜换热器的特点

隔膜密封换热器因其设备端部采用的密封形式而得名。管箱与外界的密封主要依靠隔膜密封盘（耐腐蚀合金Inconel 625，一种具有优良耐蚀性的低碳镍铬钼铌合金）来实现的。隔膜密封盘[1]是一个直径稍大于管箱内直径的金属薄圆盘，它的边缘和中心部分稍厚，中间部分是一个很薄的环形区域，当管箱内压发生波动和热膨胀产生微量变形时，由于这种结构的密封盘具有一定的弹性来吸收这种波动或变形量，从而保证了密封不受影响。当设备内件全部安装完成之后，密封盘四周与壳体端部通过焊接作用，在操作过程中实现了管程对外零泄漏,在此需要说明，在任何工况条件下都能保证绝对密封的结构是不存在的，因此应针对不同的使用条件和要求提出不同的合理的泄露量要求，作为密封结构设计的依据。密封盘外侧为了能有效的达到密封效果，通常用螺栓与压盖共同作用将其顶住来承担设备的内压引起的作用力，从而实现密封。

该换热器壳程的主要密封元件[2]是密封环，通过两瓣密封环之间的密封焊来实现壳程的密封；管程结构分布在管箱的端部，主要密封元件是隔膜密封盘，由大螺栓紧固的压盖来承受内压所产生的力，通过隔膜密封盘与管箱法兰密封面之间进行的密封焊来实现密封作用。

基于隔膜密封换热器的以上结构和特点，而且密封结构具有复杂的装配关系及几何形状，承载后的受力情况复杂，很容易出现大位移、大应变等现象，一旦密封结构的性能出现故障，对整个装置来说影响是非常严重的，因此本文将针对这一现象对隔膜换热器的密封元件（如图1左上圆圈位置，该位置的局部视图如图2所示）即利用ANSYS有限元软件对隔膜密封盘进行分析。

2 隔膜密封换热器有限元建模

2.1 工作条件和结构参数

某隔膜密封换热器的隔膜密封盘（图2标记处），材料为耐腐蚀合金Inconel 625，设计温度230℃，设计压力7.85 MPa，半径长730 mm，外部高度12 mm， 由于结构的对称性，选取了整个壳体的1/32，即隔膜密封盘的圆心角为11.25°，弹性模量193 GPa，泊松比0.3，材料密度8.4 g/cm3，材料屈服强度380 MPa。

2.2 参数化建模及施加载荷

由于结构和载荷满足对称性，因此在建模立有限元模型的时候，以隔膜密封盘半径方向为X轴，对称轴长度方向为Y轴，建立有限元模型[3]。壳体采用Solid 20node95单元来模拟其实体结构，压盖和隔膜密封盘构成一副接触对，为了获得完整的应力场，采用4节点12自由度的面 面三维接触单元TARGE170单元和CONTA174单元来模拟接触行为。在有限元分析中，约束条件的合理性非常重要，约束条件应正确反映实际工况或尽量与实际工况相近，如果约束条件施加不当，就有可能导致有限元分析求解困难或不能求解，在建立的单元模型中，对壳体和压盖横截面各节点施加轴向位移约束，其它端面节点施加周期对称约束[4]，划分网格单元并施压后的有限元模型如图3所示。

图3 密封元件的有限元模型Fig.3 The finite element model of sealing elements

3 结果分析

3.1 密封判断及应力云图

密封是防止或切断介质间传递过程的有效方法，影响密封好坏的因素很多，例如螺栓预紧力、压紧面、及使用工况等，隔膜密封盘在密封界面（压紧面）上接触压力的分布是影响隔膜密封盘性能的重要参数。由力的平衡原理可知，确保密封的充分必要条件是[5]，在隔膜密封盘上下刚体直接接触的连续界面上，产生的接触压应力σ应大于等于内压强，即σ≥P。

通过有限元软件ANSYS的后处理功能[6]的分析计算，从图4中可以看出，最大接触压应力值为46.695 MPa，大于试验压力7.85 MPa，满足密封的充分必要条件，因此能够保证无泄漏密封。

从图5可以看出，应力的最大值出现在螺栓与螺柱的连接位置处，最大值为342.239 MPa，隔膜密封盘处并不是应力的最大值，但由于该处有接触行为[7]，所以在设计或者应用时需要特别注意。

图4 接触压应力Fig.4 Contact stress

图5 应力强度分布云图Fig.5 Distribution of stress intensity

3.2 隔膜密封盘强度校核

在只考虑压力载荷的情况下， 按上述定义所求得的基本的应力强度值，根据JB4732-1995标准中强度校核[8]的相关要求，应依次满足下列各条件对许用极限的规定：

一次总体薄膜应力强度S1的许用极限为Smt；

一次局部薄膜应力强度S2的许用极限为1. 5Smt；

一次薄膜+一次弯曲应力强度S3的许用极限为1. 5Smt；

一次+二次应力强度S4的许用极限为3Smt；

从ANSYS的后处理中提取出各分析路径上的一次总体薄膜应力、局部薄膜应力强度和一次薄膜加一次弯曲应力强度进行分析，具体分析路径如图6所示。

根据相关资料查得隔膜密封盘材料Inconel 625在设计温度下的应力强度Smt为380 MPa。按照JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》的相关要求进行应力强度校核[9], 即一次总体薄膜应力强度S1的许用极限不得大于1倍的设计应力强度Smt；一次局部薄膜应力强度S2的许用极限不得大于1.5倍的设计应力强度Smt；一次薄膜+一次弯曲应力强度的许用极限不得大于1.5倍的设计应力强度[10]Smt。隔膜密封盘各分析路径上具体的应力强度评定结果见表1。

图6 分析路径图Fig.6 The path operation

表1 应力强度评定分析结果Table 1 Evaluation results of the analysis of stress intensity

根据表1的应力评定结果，可见满足JB4732-1 995《钢制压力容器分析设计标准》中的强度要求，故该隔膜密封盘强度校核合格。

4 结束语

(1)通过有限元分析，可以有效地预测隔膜密封盘载荷分布，最大接触压应力小于试验压力，隔膜密封盘能够实现无泄漏密封，与试验结果一致，为隔膜密封结构的优化设计提供了依据，具有工程应用价值。

(2)利用ANSYS软件对隔膜密封盘进行应力分析，可以得到密封盘的应力分布云图，定义其应力分布情况的路径；对隔膜密封盘进行强度校核，结果表明强度满足JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》相关规定要求，可以安全应用。

(3)在实际工程中，由于各装置操作条件多种多样，隔膜密封换热器的选择，需要根据具体的工艺条件，包括工作压力、工作温度、设备直径、主要受压元件材质等工况进行较为详细的工程计算分析综合考虑，同时也要考虑到业主的需要，通过对比其各自的经济性来最终决定。

总之，通过分析表明，利用ANSYS软件对复杂结构进行应力分析是可行的，是有限元理论和分析设计理论的有机结合，为复杂的结构分析提供了新的方法。因此有限元分析方法必将给化工装备结构设计带来新的发展，是化工装备设计的未来发展方向。

[1] 何平.螺纹锁紧环换热器与隔膜密封换热器的结构分析[J].石油化工设备技术,2009,30（6）:19-23.

[2] 王辉.隔膜密封式高压换热器试制技术总结[J].科技风,2008,21,50-51.

[3] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

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[5] 陈敏,汤文成,张逸芳,等.阀门密封结构中超弹性接触问题的有限元分析[J].中国机械工程,2007,18（15）:1773-1775.

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[7] 王伟,蔡永梅,高兴军. 插扣型快开盲板耦合应力分析[J].石油化工设备技术,2009，30(2):35-38.

[8] JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准[S].北京:中国压力容器标准化技术委员会,1995.

[9] 景鹏飞,谢禹钧.高压容器筒体与封头连接区的疲劳计算[J].轻工机械，2011,29(2):120-122.

[10] 贾敏.基于ANSYS的盲板应力分析计算[J].化工机械, 2011,38(1):73-76.

Stress Analysis of the Diaphragm Seal Plate of Diaphragm Heat Exchangers

GONG Xue,XIE Yu-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The stress analysis and judging seal situation of diaphragm seal plate of diaphragm heat exchangers were carried out by the ANSYS finite element software. Non-leakage of the seal plate was verified, at the same time the stress intensity distribution of sealing structure was obtained and showed that sealing plate location was not part of the largest stress,so the sealing plate could be applied in the engineering. Then based on the stress analysis, the diaphragm seal strength was checked and the stress of different paths was obtained. The results show that the required strength can be satisfied

ANSYS； Diaphragm seal； Stress analysis；Strength check

TQ 050.2

A

1671-0460（2011）11-1202-03

2011-10-09

龚 雪（1983-），女，辽宁抚顺人，助教，研究生在读，2009年毕业于沈阳农业大学机械制造及其自动化专业，研究方向：工程力学。E-mail：32432580@qq.com。