热管换热器管板热应力分析

盐城工业职业技术学院 许志鹏

热管换热器管板热应力分析

盐城工业职业技术学院 许志鹏

热管换热器存在着一定温度载荷，温度载荷的热应力是需要分析的，需要比较精确地对热管换热器管板温度场分布规律做分析，以及计算由温度载荷导致的温度载荷应力分布。

温度载荷；热应力；应力分布

1 热应力分析方式选择

在本课题中，由于节点温度未知，所以采用工程中常用的方法——间接法。间接法：先进行热分析，然后将求解得到的节点温度作为体载荷直接施加到结构分析中去。当热与结构耦合是双向时，又因为处在交叉影响中，可以采用直接法。本文综合考虑，采用间接法相对而言最适合。

2 热应力分析载荷及其边界条件分析

热应力分析中的载荷为温度载荷，可以将节点温度作为体载荷施加，在加载温度载荷时，需要考虑其边界约束条件，本课题根据实际情况，因为在壳体与管板的连接处，采用的是焊接连接，在管板的边侧，其自由度需要全部约束，限制其位移量。

3 热应力分析计算模拟

定义好参数与约束，施加载荷，运行程序，得到温度载荷引起的热应力强度分布云图如图1所示。

图1 热应力分布云图

由图1中的热应力云图可以看出，由温度载荷引起的热应力强度最大值为32MPa，最大应力发生在管板与壳体连接的地方。在整个管板的管阵列内，其应力分布比较平均，分布梯度比较平缓。

分析原因：这是由于管板与壳体在连接处存在较大的温度梯度变化，将管板与壳体连接处约束全部限制，限制其位移量，其约束对管板形成局部的应力集中等原因，导致其热应力较为集中。

路径分析属于直观的考察应力分布情况，取管板与壳体连接处按照横向梯度分布到应力分布最小值区域为PATH1，其应力图如图2所示。

图2 热应力变化图

由图2的变化图可以看出，数值线性化说明了其最大值发生在管板与壳体连接处，也是热侧流体进口和冷侧流体出口处，此处的温度载荷相对其他管板部分较大，由于管板与壳体的材料是完全相同的，并因壳体与管板之间施加了约束，产生了一定的挤压力，导致其热应力相对较为集中，热应力值较大，与现实中的设备运行状态从数值化方面体现的匹配度较高。

4 小结

由温度载荷分布计算温度载荷引起的热应力，由云图可以得知，在管板边缘处，由于管板受到壳体焊接的约束产生一定的应力集中，且在热侧进口处存在一定的温差，所以最大值在管板与壳体的连接处，热应力达到最大值32MPa，对比实际工况下的热管换热器管板，热应力分布是合理的。温度载荷引起的热应力对管板造成的影响较大，在应力计算分析时，需要分析管板与机械应力载荷叠加时对管板的影响。

[1]薛明德,黄克智.对GB151—1999中管壳式换热器管板计算方法的修改说明[J].化工设备与管道,2014,51(1)：1-7.

[2]谭蔚,杨星.高参数换热器管板热应力分析模型的研究[D].天津大学,2010.

盐城工业职业技术学院校级课题（以技能大赛配合技能菜单推进汽服学生职业能力体系研究）。