双管程换热器管板的有限元分析计算

门伟

【摘要】本文采用了建出与管板接触的管箱法兰，在管箱法兰端部施加固定约束，并在管箱法兰与管板法兰接触的密封面处设置接触的方法进行管板有限元分析。这样所得结果与实际贴近，不会因约束管板局部位置而造成不合实际的应力集中现象，且克服了传统管板计算理论的局限性。计算完成后发现温度产生的应力很大，于是对管板结构进行了改进优化，优化后的管板应力降低，各路径的应力均满足JB4732-95的规定。

【关键词】管板；有限元；应力分析

引言

本文分析的主要对象是某双管程螺旋缠绕管式换热器上延长部分兼做法兰的管板，采用大型通用有限元软件ANSYS建立了真实的有限元模型，对管板在正常操作工况下进行应力强度分析，并根据所得结果对管板结构进行了改进，最终经评定各路径的应力均满足B4732-95的规定。

1、双管程螺旋缠绕管式换热器主要参数

该双管程螺旋缠绕管式换热器的外径为φ273mm，筒体壁厚为6.5mm，换热器总长度约为1910mm。管板厚度为55mm，管板最大外径为φ510mm，管板材料为16Mn，其在操作温度下的应力强度Sm=186.6MPa。该换热器的主要工艺参数如表1所示。

表1主要设计参数

Tabel 1 main design parameter

2、管板有限元分析

2.1 模型简化

本文只对管板强度进行校核评定，故只建出管板及与管板连接件的局部模型，简化后的有限元模型如图1所示。

图1 管板有限元分析模型

Fig.1 The FEA model of the tubesheet

2.2 网格划分

因管板结构不规则，故采用四面体网格进行划分，单元尺寸设为3mm。

2.3 载荷与约束施加

在ANSYS/Workbench中，先用steady-state thermal 模块进行稳态热分析，得到温度分布结果。然后在static structural将求得的温度作为“载荷”加载到结构上[1]。

（1）边界条件

本文采用了建出与之接触的管箱法兰，在法兰的端部施加固定约束，并在管箱法兰与管板法兰接触的密封面处设置接触，这样所得结果与实际贴近，不会因约束造成不合实际的应力集中现象，这种方法在一些约束不便施加或对所分析的局部结构要求较严格时可以采用，但其不足之处是计算耗时效率较低，故应该注意适当简化模型。施加边界条件后的模型如图2所示。

图2 边界条件施加示意图

Fig.2 The diagram of boundary condition

（2）温度载荷

当设备正常操作时，其管板两侧分别为管程流体温度和壳程流体温度，且管程侧分程隔板两侧的温度不同[2]，温度载荷的施加形式如图3所示。

图3 温度载荷施加示意图

Fig.3 The diagram of thermal loads

（3）静力载荷

当设备正常操作时，其管板两侧分别为管程压力和壳程压力，且靠螺栓将管板与法兰连接在一起，螺栓载荷的大小参照GB150-2011计算[3]，这里的螺栓载荷为784kN，静力载荷的施加形式如图4所示。

图4 静力载荷施加示意图

Fig.4 The diagram of structural loads

3、计算结果讨论

3.1 温度与压力同时作用时与压力单独作用时的结果对比

图5为管板在温度和压力共同作用下的应力云图，图6为管板在压力作用下的应力云图，图7为通过应力强度最大的管孔处且贯穿管板厚度的路径（称作Path1）的线性化数据曲线图[4]，由图可得出以下几点结论：

（1）当不考虑温度载荷只考虑静力载荷时，管板上的最大应力为189MPa，而考虑温度载荷和静力载荷同时作用时，管板上的最大应力达到523.53MPa，可知管板上的温度应力占有较大比重；由图6中管程高温侧与低温侧的云图差别也可看出，温度载荷对管板产生了很大的热应力，在设计与校核中不应忽略。

（2）最大应力强度值出现在管程高温侧的管孔边缘，因该处结构不连续，应力有一次应力、二次应力和峰值应力；另外因为结构不连续，在管板密封面的内外边缘、管板与壳体的连接处也出现较大应力。

（3）由图7知Path1的薄膜应力约为80MPa，一次加二次应力（薄膜加弯曲应力）的最大值约为400MPa；虽然应力强度值较大，但薄膜应力的成分较小，弯曲应力所占比重较大，这是由于管板厚度较大造成的，峰值应力只在管孔的上边缘存在较大值。

图5 管板在温度和压力共同作用下的应力云图

Fig.5 The stress intensity of the tubesheet under pressure and temperature

图6 管板在压力作用下的应力云图

Fig.6 The stress intensity of the tubesheet under pressure

图7 Path1线性化数据曲线图

Fig.7 The curve of the linearized stress intensity of path1

3.2 结构改进及改进前后的结果对比

由3.1的结论可知，温度载荷在管板上产生很大的二次应力，且在管板与壳体的连接处会因满足变形协调而产生较大的局部应力。因而考虑在壳体与管板连接的焊缝附近开半圆形环槽，以释放管板上的部分应力，结构改进如图8所示。

图8 结构改进示意图

Fig.8 The diagram of structure modify

图9为结构改进前的管板应力云图，图10为结构改进后的管板应力云图，可见结构改进后的最大应力减小了5.2%。表2为结构改进前后Path1上的线性化数据对比，可见弯曲应力尤其是峰值应力都有所减小，这种结构对管板应力有一定的缓解释放作用。

图9 结构改进前的管板应力云图

Fig.9 The stress intensity of the tubesheet before modified

图10 结构改进后的管板应力云图

Fig.10 The stress intensity of the tubesheet after modified

表2 结构改进前后Path1上的线性化数据对比

Table.2 The comparison of the linearized stress intensity of the path1

4、结论

本文采用了建出与管板接触的管箱法兰，在管箱法兰端部施加固定约束，并在管箱法兰与管板法兰接触的密封面处设置接触的方法进行管板有限元分析。这样所得结果与实际贴近，不会因约束管板局部位置而造成不合实际的应力集中现象，克服了传统管板计算理论的局限性，为后续管板的结构优化等提供了理论依据。

（1）管板上的温度应力占有较大比重，温度载荷对管板产生了很大的热应力，在设计与校核中要引起重视，更有必要对管板的温度场进一步作比较精确的分析。

（2）最大应力往是发生在结构不连续的地方，如在管程高温侧的管孔边缘、管板密封面的内外边缘、管板与壳体的连接处等。

（3）在壳体与管板连接的焊缝附近开半圆形环槽，对管板应力有一定的缓解释放作用，在类似结构的设计时可考虑开槽释放部分应力。

参考文献

[1]刘海亮，于洪杰，徐鸿等.高压给水加热器厚管板的有限元分析[J].压力容器.2004，21（11）：19～28.

[2]胡锡文，林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析[J].压力容器.2014，21（10）：26～28.

[3]GB150-2011，钢制压力容器[S].全国压力容器标准化技术委员会，1995.

[4]JB4732-95，钢制压力容器—分析设计标准[S].全国压力容器标准化技术委员会，1995.