基于热-结构耦合的LNG板翅结构热应力模拟

麻宏强蔡伟华陈杰姚杨姜益强*

1哈尔滨工业大学市政环境与工程学院

2哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

3中国石油气电集团有限责任公司

基于热-结构耦合的LNG板翅结构热应力模拟

麻宏强1蔡伟华2陈杰3姚杨1姜益强1*

1哈尔滨工业大学市政环境与工程学院

2哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

3中国石油气电集团有限责任公司

为保证大型天然气液化（LNG）用板翅式换热器冷箱安全、可靠运行，建立了大型LNG冷箱内板翅式换热器的板翅结构热应力有限元分析数学物理模型，基于热弹性理论采用热-结构直接耦合方法分析了运行参数（流体温度、外载荷以及操作压力）对LNG板翅结构等效热应力的影响规律，模拟结果表明：天然气和混合冷剂之间温差越大板翅结构承受最大等效热应力越大，混合冷剂和天然气温度越低其最大等效热应力越大；外载荷为压力时压力越大其最大等效热应力越小，外载荷为拉力时拉力越大其最大等效热应力越大；此外，天然气侧压力对热应力的影响大于混合冷剂侧压力对其影响，但均表现出增大趋势。上述研究成果将为大型LNG冷箱内板翅式换热器结构以及运行参数设计和安全可靠运行提供重要参考依据。

板翅式换热器 热应力 LNG有限元分析 ANSYS模拟

0 引言

板翅式换热器传热效率高、结构紧凑以及可同时进行多种工质换热等特点，其在天然气液化（LNG）工业得到广泛应用[1～4]，其主要由翅片、隔板相互叠加并用封条密封钎焊而成[5]。目前，铝制板翅式换热器主要应用于小型LNG工厂，世界范围内很少采用铝制板翅换热器作为大型LNG工厂主低温换热器[6]。但是，随着全球天然气需求量日益增长，大型LNG板翅式换热器冷箱相关技术应取得突破。板翅结构作为大型LNG冷箱内板翅式换热器的关键部件，其局部热应力集中严重影响大型LNG冷箱安全、可靠运行[7～8]。

国内外学者在板翅式换热器局部热应力方面做了大量研究，但主要集中在其制造过程产生的残余应力方面[9～10]。如文献[10～12]对板翅结构钎焊过程的蠕变行为进行研究，得出翅片和隔板钎焊位置处为板翅结构最容易破坏位置以及最大残余应力对其蠕变行为产生很大影响。同时，文献[13～15]采用热-力顺序耦合方法对板翅结构钎焊过程的残余应力分布规律进行研究，同样得出最大残余应力发生在翅片和隔板钎焊位置处。上述文献综述表明目前研究是基于热弹塑性理论的板翅结构钎焊过程中的残余应力研究，而基于热弹性理论的运行参数对LNG板翅结构热应力影响规律研究较少。

鉴于此，本文在板翅结构强度理论分析基础上，建立了板翅结构有限元分析数学物理模型，基于热弹性理论采用热-结构直接耦合有限元方法分析了板翅结构薄弱区（热应力集中区）最大等效热应力随运行参数的变化规律。

1 板翅结构强度理论分析

依据形状改变比能理论（第四强度理论），引起板翅结构屈服破坏的主要因素是形状改变比能，即无论板翅结构处于何种应力状态，只要形状改变比能uf达到材料单向拉伸屈服时形状改变比能的极限值uf0，板翅结构就发生塑性屈服破坏。当引入安全系数后，第四强度理论条件可表示为：

式中：[σ]为许用应力，Pa；σr是主应力综合值，也称其为等效应力，Pa，可表示为：

式中：σ1为第一主应力，Pa；σ2为第二主应力，Pa；σ3为第三主应力，Pa。

依据该理论当板翅结构等效热应力超过其对应许用应力时有可能引起板翅结构应力破坏，即板翅结构应力破坏的起始位置为等效热应力最大位置，所以本文主要研究运行参数对LNG板翅结构应力集中区最大等效热应力的影响规律。

2 有限元模型分析

2.1 模型简化

板翅结构是LNG板翅式换热器核心部件，主要由翅片、隔板通过不同叠积和适当排列钎焊而成[16～18]，如图1所示。由于其结构周期性重复性以及复杂性，需要对其做相应假设：1）忽略层数对板翅结构热应力特性影响；2）板翅结构内部天然气（NG）、混合冷剂（MR）交替流动，并进行逆流换热，如图1；3）板翅结构整体材料与钎焊焊缝钎料是同种材料。基于上述假设可取四层流道组成的板翅结构进行分析；同时，考虑到板翅结构周期对称性以及在很短长度L内沿流道长度方向板翅结构内部流体温度变化较小，所以在长度L方向取很小一段，在与长度L垂直的截面上取一个周期（图1虚线部分）进行分析，其简化模型如图2，结构参数见表1。

图1 板翅式换热器结构示意图

图2 板翅式换热器结构简化模型及局部网格

表1 模型结构参数（层数从下向上一次递增）

2.2 材料属性

本文以AL3004为板翅结构材料对其进行热应力变化规律分析，由于从常温到低温AL3004材料的性能参数变化较大，所以在整个分析过程中考虑了温度对弹性模量、膨胀系数的影响，忽略了其对密度、导热系数以及比热容的影响，其详细参数见表2。

表2 AL3004力学性能参数

2.3 有限元分析方法

由于LNG板翅结构的隔板、翅片结构尺寸小，相对变形量大等特点，需考虑温度场与应变场的相互影响，本文采用基于热-结构直接强耦合的有限元方法[19～20]，利用ANSYS软件分析了运行参数对LNG板翅结构等效热应力影响规律。由于混合冷剂、天然气与板翅结构壁面之间是对流换热过程，在热分析中对流换热边界被采用，即q=h(Tf-Tw（)q为壁面热流密度，W/m2；h为冷热流体对流换热系数，W/(m2·K)；Tf为流体温度，K；Tw为壁面温度，K）。在结构应力分析中首先采用周期性对称边界模拟板翅结构周期对称性；同时，通过施加流体操作压力模拟流体对板翅结构的作用；在板翅结构上顶面施加外力边界，模拟外界对它的作用。

3 模拟结果分析

3.1 流体温度对热应力特性的影响

对于不同设计或运行工况，板翅结构流道内天然气和混合冷剂之间温差以及两者温度有所不同，天然气和冷剂之间温差主要引起板翅结构内部温度分布不均，天然气、混合冷剂温度变化引起板翅结构变形程度不同，所以天然气和冷剂之间温差以及两者温度变化会引起板翅结构热应力变化。本节对天然气和混合冷剂温度对板翅结构热应力的影响规律进行研究。

图3是混合冷剂侧温度150K（天然气侧温度160K）时不同温差对板翅结构热应力的影响规律模拟结果，其表明随天然气和混合冷剂之间温差增大，板翅结构内部温度梯度越大，从而使板翅结构最大等效热应力越大；图4是天然气和混合冷剂之间温差分别为5K、10K时不同混合冷剂温度对板翅结构热应力的影响规律，结果表明混合冷剂温度越低，板翅结构热变形受到约束程度越大，导致其最大等效热应力越大，也就是说在相同温差下，板翅式换热器低温段最大等效热应力大于高温段；同时温差越大，随混合冷剂温度的降低最大等效热应力增幅越快。

3.2 外载荷对板翅结构热应力的影响

对于不同设计或运行工况，作用在板翅式换热器外载荷会有所不同，所以本节在天然气和混合冷剂之间温差分别为5K、10K、15K，外载荷为压力或拉力时分析了外载荷对板翅结构热应力的影响规律。

图5是外载荷为压力时的模拟结果，其结果表明当外载荷为压力时，载荷越大板翅结构最大等效热应力越小，在相同外载荷下，天然气和混合冷剂之间温差越大板翅结构承受最大等效热应力越大，同时板翅结构最大等效热应力随外载荷近似呈线性变化关系；图6表明当外载荷为拉力时，外载荷越大板翅结构最大等效热应力越大，在相同外载荷下，温差越大最大等效热应力越大，这是由于板翅结构在低温运行过程中处于收缩状态，当外载荷为拉力时，相当于对其施加一个收缩限制边界条件，拉力越大其限制越明显。

图3 温差对板翅结构热应力的影响

图4 冷热流体温度对板翅结构热应力的影响

图5 外载荷（压力）对板翅结构热应力的影响

图6 外载荷（拉力）对板翅结构热应力的影响

3.3 操作压力对板翅结构热应力的影响

对于LNG板翅式换热器，在不同操作压力下存在不同热应力特性。本节在冷侧温度150K、热侧温度160K、外载荷为10bar时，通过改变天然气、混合冷剂侧流体压力分析操作压力对板翅结构热应力的影响规律。图7是天然气侧压力为71bar、40bar时，混合冷剂侧压力对板翅结构最大等效热应力的影响规律，其结果表明在天然气侧压力一定时，随混合冷剂侧压力升高板翅结构最大等效热应力近似呈线性增大但增幅并不明显，也就是说混合冷剂侧压力对板翅结构热应力特性的影响并不明显；在相同混合冷剂侧压力下，天然气侧压力为71bar时板翅结构最大等效热应力始终大于40bar时的最大等效热应力。

图7 混合冷剂侧压力对板翅结构热应力的影响

为进一步研究天然气侧压力对板翅结构最大热应力的影响，在混合冷剂侧压力分别为4bar、30bar时，模拟分析了天然气侧压力对板翅结构热应力的影响，其模拟结果图8表明随着天然气侧压力升高，板翅结构最大等效热应力也近似呈线性升高；同时混合冷剂侧压力分别为4bar、30bar时，板翅结构最大等效热应力随天然气侧压力变化曲线基本重合，进一步证明混合冷剂侧压力对板翅结构最大热应力的影响较小。

图8 天然气侧压力对板翅结构热应力的影响

4 结论

本文对板翅式换热器板翅结构模型进行合理简化，并基于热弹性理论采用热-结构直接耦合方法模拟分析了运行参数（如：流体温度、外载荷、操作压力）对板翅结构等效热应力的影响规律，其模拟结果表明：

1）板翅结构最大等效热应力随天然气和混合冷剂之间温差增大而增大，随天然气或混合冷剂温度降低而增大，温差越大增幅越大。对于整个LNG板翅式换热器而言，天然出口段为应力最大段。

2）由于板翅结构最大等效热应力随压载荷增大而减小，随拉载荷增大而增大且增幅明显。所以，在大型LNG板翅式换热器冷箱实际运行中为了降低板翅结构最大等效热应力尽可能使冷箱内板翅式换热器承受适当压力载荷。

3）由于天然气侧压力对板翅结构最大等效热应力影响效果显著，而混合冷剂侧压力对板翅结构最大等效热应力影响较小；提高天然气侧压力是提高大型LNG冷箱液化效率的有效措施之一，但从保证LNG板翅式换热器冷箱内板翅式换热器安全性角度，需要进行合理设计将其控制在合理范围内，这样才能解决液化效率与安全性之间的矛盾。

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The rm odyna m ic s a nd The rm a l Stre s s Ana lys is of Pla te-fin Struc ture s in LNG He a t Exc ha nge r

MA Hong-qiang1,CAI Wei-hua2,CHEN Jie3,YAO Yang1,JIANG Yi-qiang1*
1 School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology
2 School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology
3 CNOOC Gas and Power Group

In order to ensure the safe and reliable operation of Plate-fin structure in plate-fin heat exchanger which was used to Liquefied Natural Gas(LNG)in a large-scale cold-box.A Finite Element Model(FEM)based on thermal elastic theory was established to simulate influence of operation parameters for the maximum equivalent thermal stress in plate-fin structure.The result shows that the maximum equivalent thermal stress grows steadily with the temperature difference between Natural Gas(NG)and Mixture Refrigerant(MR)and with pull load,decreases with NG or MR temperature and with press load.Addition,the maximum equivalent thermal stress increase with NG or MR pressure, and the influence of NG pressure is greater obviously.These results would provide some constructive instructions in the design and safe operation for plate-fin heat exchanger in large-scale LNG cold box.

plate-fin heat exchanger,thermal stress,LNG,finite element analysis,ANSYS simulation

1003-0344（2015）03-036-5

2015-01-03

姜益强（1973～），男，教授；哈尔滨工业大学市政环境与工程学院（150090）；E-mail:jyq7245@sina.com

国家高技术研究发展计划（2013AA09A216）