某型号换热器回程水室应力分析及强度校核

叶 萌，郑小涛，喻九阳，林 纬，郑 鹏，彭红宇

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205）

某型号换热器回程水室应力分析及强度校核

叶 萌，郑小涛，喻九阳，林 纬，郑 鹏，彭红宇

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205）

研究了某型号管壳式换热器的回程水室，运用有限元软件Ansys分析了该回程水室在稳态下的温度场及其在温度载荷与压力载荷共同作用下的应力场。根据ASME规范和相关判据对回程水室关键部位进行了应力分析及安全评定。计算结果表明，该回程水室的设计在安全范围之内，符合规范要求，这为回程水室的工程设计提供了理论基础。

换热器；回程水室；有限元；应力分析；强度评定

在化工、石油及能源等行业相当广泛应用的单元设备是换热器。目前在发达的工业国家热回收率已达到96%。据资料收集，现代化工中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，而在炼油厂中换热器占全部工艺设备大约40%的分量。换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足工艺流程的需要,也是余热废热回收利用的有效装置[1]。所以在工业生产中,如何准确的设计出结构性能好的换热器尤为突出，那么相对应的检验方法也必须符合实际要求。本文利用ANSYS软件对管壳式换热器回程水室进行了应力分析和强度评定。

1 结构模拟

1.1 计算网格模型

考虑到结构的1/4对称性，为减少计算机开销，选择1/4模型进行分析计算。本文有限元结构分析采用SOLID95单元（对应热分析单元为SOLID90），SOLID95是三维八节点实体单元。该单元既能保证精度又能允许使用不规则的形状，适用于曲线边界的建模，具体体现在塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变，并且能够很好的满足各项性能(图1)。物性参数如表1所示。

图1 计算网格模型Fig.1 Calculation and mesh model

经过网格划分后，利用ANSYS统计出该模型共有单元1 223 538个，217 708个节点。经单元检查，无畸形单元。

1.2 施加载荷及约束

结构承受的载荷是以下独立载荷的组合：作用于壳侧表面（包括回程水室与壳侧气体接触表面）的壳程外界气体压力，作用于回程水室外表面的管程流体压力，作用于回程水室流体压力和壳程气体压力，作用于管板和水室之间的螺栓上所施加的均布拉力，作用于与垫片接触面上所施加的均布垫片压力，以及热械耦合应力所产生的温度载荷（回程水室侧流体温度与流体温度）。本结构应力分析已经忽略了重力载荷的影响，结构所受载荷如图2所示。

表1 材料物理参数Table 1 Material physical data

图2 回程水室盖板载荷示意图Fig.2 Onlet-oulet cover load schematic

图2 中，F2是螺栓所受的预紧力，P1是换热器流质的压力，P2是外界气压，T1为换热管内流质温度；T2为壳程气流质温度。

用于分析稳定的热载荷对系统部件的影响的传热称为稳态传热。通常利用稳态热分析来确定温度分布，并且有限元计算用于确定由热载荷引起的温度、热梯度、压力等参数。

由此可见，本文将主要从稳态的对流传热和热传导这两种方式对模型进行分析热分析。

2 应力分析及强度校核

2.1 温度场分析

按照前文所说的加载方式加入温度载荷以后求解得到温度场分布如图3所示。

由图可以知道，温度最高为回程水室里面直接和流质接触部分，温度为100 ℃，符合实际工况。

2.2 压力场分析

由于结构分析包含热应力分析，因此采用回程水室的结构有限元模型为热结构有限元模型。单元类型设置为为SOLID95单元。施加温度载荷以及机械载荷后，结果如图4所示。

图 3 回程水室盖板温度载荷Fig.3 Onlet-oulet cover temperature load

图4 进出水室盖板等值应力强度云图Fig.4 Onlet-oulet cover equivalence stress intensity arrangement map

通过观察热力耦合后的分析结果，我们可以知道当回程水室处于稳定工作状态下时，其最大应力强度值为218.4 MPa。

2.3 压力容器应力强度评定方法

由于应力强度计算方法分为点处理法和线处理法[2]。

（1） 点处理法是将容器各个计算部位，按各自一个点的应力强度与分析设计规范规定的应力分类的强度条件进行比较判断。但是采用点处理这种方法有局限性，如果所选点的应力能够符合该区域的应力分布规律，那么就能有效地对该区域进行强度评价，当结构比较复杂，应力分布同样十分复杂时，凭借一个点的应力强度就很难代表整个区域的应力分布状况。

（2）线处理的步骤为：将沿线的各应力分量（计算所得结果）按二次曲线的分布规律利用最小二乘法进行拟合，得出应力分布曲线[3]：

式中：

t — 处理线上的坐标，t=Lx/L；

L— 处理线全长；

Lx— 处理线上任一点的坐标；

Ci— 拟合曲线常数。

对上式所求得的应力进行均匀化和当量线性化处理，得到均匀化处理的平均应力分布函数，其值域属于薄膜应力范围，其线性部分应力属于弯曲应力范围，其余非线性部分为峰值应力范围[4]。

2.4 回程水室的应力强度分析

根据应力强度计算结果，在6处应力集中区域设置路径[5]，路径方向由内至外，回程水室不同路径薄膜应力即薄膜应力加薄膜弯曲应力线性化结果如图5,6所示。

图 5 进出水室盖板评定路径示意图Fig.5 Onlet-oulet cover evaluation path schematic

图 6 路径1-6中薄膜应力及薄膜应力加薄膜弯曲应力的分布云图Fig.6 The distribution of membrane stress and membrane stress plus membrane bend stress in path1-6

评定结果如表2所示。

表2 进出水室盖板应力强度评定Table 2 Onlet-oulet cover stress intensity evaluation

3 结 论

本文运用ANSYS结构计算软件对热力耦合作用下管壳式换热器的回程水室的应力场进行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[7]规范进行了强度校核。计算结果表明，管壳式换热器回程水室的强度满足安全要求。文中分析较客观地反应了回程水室的受力情况，能够为相类似的换热器原件的设计和校核提供理论依据。

［1］ 董其伍,刘敏珊.换热设备CAD系统开发技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

［2］ 栾春远,压力容器ANSYS分析与强度计算[M].北京:科学出版社,2008.

［3］盖超会, 高兴. 管壳式换热器部件的应力分析及强度校核[J]. 当代化工, 2014, 43(3): 429-431.

［4］ 陈秋顺, 仲梁维. 基于ANSYS的热交换器应力强度分析[J].精密制造与自动化, 2009(3): 46-48.

［5］郑小涛,喻九阳.异型管板应力分析及强度校核[J].石油化工设备,2013,42(3):33-36.

［6］ 王定标,魏新利.压力容器切向开孔接管区的应力分析设计[J].石油机械,2006,34(4):5-7.

［7］ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.ASME锅炉及压力容器规范国际规范Ⅱ材料[S].北京:中国石化出版社,2007.

Stress Analysis and Strength Check of Onlet-oulet Cover of a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng， ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，PENG Hong-yu
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The onlet-oulet cover of a shell and tube heat exchanger was studied by finite element method. The temperature field of the onlet-oulet cover under the steady state condition was analyzed, and the stress field of the onlet-oulet cover under combination action of temperature load and pressure load was calculated. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the onlet-oulet cover were carried out. The results show that the design of onlet-oulet cover is in a safe range, and can meet the requirements of the specification. The article can also provide a reliable basis for engineering design and safety assessment of the onlet-oulet cover.

Heat exchanger；Onlet-oulet cover；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0363-03

2014-07-16

叶萌（1990-），男，湖北蕲春人，研究生在读，研究方向：化工过程机械，机械设计制造。E-mail：137592302@qq.com。