中间热交换器换热管热应力分析

刘佳

摘 要：由于中间热交换器尺寸大，且工作温度高等特点，将导致其内部换热管上下端温差大，因此换热管的热应力是换热管应力的主要组成。在中间热交换器中换热管的热补偿方式非常重要，该文针对不同换热管热补偿结构，进行热应力计算和分析，得到不同的热补偿方式对换热管应力的影响趋势，并根据标准对换热管应力进行评价，为后续开展的管接头结构设计与中间热交换器管束结构设计的匹配提供输入。

关键词：中间热交换器 换热管 热补偿 热应力

中图分类号：TL425 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0053-02

快堆中一回路液态钠流入中间热交换器的壳程，由于管束对一回路钠流动的阻力作用，壳程液态钠存在不均匀流量分布，影响到各层换热管表面不同温度变化，从而导致每层换热管在轴向存在不同的熱膨胀。各层管束受到管板的约束后，有的表现为轴向拉力，有的表现为轴向推力，会导致换热管和管板连接接头的损坏或者换热管自身的破裂。大型中间热交换器管束数量和布管层数也大大增加，由此管束之间热膨胀差导致过高应力将更为典型，因此示范快堆中间热交换器管束合理的结构设计至关重要。

1 中间热交换器及管束结构

由方案设计可知，对于中间热交换器换热管采用空间螺旋弯管，同时采用外浮动管板式用以补偿壳体和管束之间的热应力膨胀差。每一层、每一根管束轴向弯曲弧度相同，弯曲段以环排方式进行管束的安装、弯曲方式与该层布管圆周重合，所有层管束平面展平结构尺寸相同。

2 中间热交换器管束结构设计方案

某中间热交换器空间螺旋结构的设计参数包括换热管规格、换热管轴向总长、弯曲段展平高度、弯曲段与直管段夹角、弯曲半径、正反螺旋段直管段长度等。

根据目前已知中间热交换器管束设计方案中弯管段长度及其占各自管束轴向总长度的比例，中间热交换器总体设计阶段固定管束弯管段展平后与直管管的夹角为25°，弯管段总长考虑标准中的最大无支承跨距取值。

按标准的推荐，对于外径为16 mm的最大无支承跨距为1 300 mm。按此原则，对中间热交换器弯管总长设计了3种设计方案以作为后续应力分析评定的对象，各方案及其对应的支承布置方案如图1所示，L5+L6分别为1 000 mm、1 300 m及1 500 mm。

示范快堆中间热交换器管束支承方案如图1所示。整个换热管为对称结构，L1=L1、L2=L3=L4=L7=L8=L9、L5=L6。直管段的支承结构由环板、波纹钢带和拉杆3个部分组成。环板为具有一定厚度和宽度的圆环，波纹钢带为梯形结构的钢带构成，换热管被夹持在环板与波纹钢带之间形成对换热管的约束和支承。对于相邻的两层管束，环板与内层的波纹钢带在整个圆周方向上取若干处点焊连接用于约束波纹钢带，与外层管束直接非固定接触仅限制径向位移。拉杆是与换热管规格相同的实心钢棒，弯曲方式与换热管相同，拉杆与波纹钢带焊接连接用以固定波纹钢带，最终实现拉杆-波纹钢带-环板的固定。

3 中间热交换器管束结构应力计算

3.1 材料性能

示范快堆中间热交换器管束材料为奥氏体不锈钢，其性能参数主要有弹性模量，热膨胀系数以及抗拉强度等，可以通过ASME标准第Ⅲ卷查到。

3.2 载荷工况

示范快堆中间热交换器管束承受的载荷工况主要有6种类型。参照核电站设计分析经验，工况（6）全场断电，事故余热排出系统投入工况最为恶劣。取此为换热管应力计算的基准工况。

3.3 基本假定

（1）由于换热管束与壳体之间的平均温度温差，以及由于平均温度的径向温度梯度的作用，使得最外层的换热管处于最大负荷的作用之下。因此，中间热交换器管束应力评定以最外层管束为计算对象。（2）对于示范快堆的管束结构设计，以120 ℃为设计限值，即最外层管束平均温度取400 ℃，最内层管束及连接套筒平均温度取500 ℃。（3）几何模型的简化。

上管板和筒体通过焊接连接，下管板与上管板通过中心管连接。换热管为对称结构，图1中的6点为对称点，并且6点处为垂直纸面约束，2～5和7～10点为换热管的导向约束。

由于只关心换热管的应力分布，因此模型中只建立换热管模型，参考俄罗斯计算中国实验快堆中间热交换器换热管计算模型，该文中的计算模型采用空间螺旋管展平结构。对图1中，2、3、4、5、7、8、9、10处施加Y和Z向约束，6处施加Z向约束。换热管上端施加全约束，将中心管轴向伸长量D作为约束条件施加在换热管下端轴向方向，下端径向方向全部约束。

根据设计者提供换热管内压为2 MPa；模型温度：上管板为510 ℃，下管板为420 ℃，中心管为500 ℃，最外层换热管温度为400 ℃。由于换热管束与壳体之间的平均温度温差使得最外层换热管应力最大，该报告只考虑最外层换热管。根据上面温度，可以计算出中心管伸长量作为位移D施加在换热管下端。

D=α×ΔT×L=（1.82×E-5）×（500-20）×6400=55.91mm

3.4 应力分析

针对第二节的3种换热管结构方案，分别计算温度载荷，以及自重、内压和温度载荷全施加情况下，换热管的应力分布。

（1）弯管段跨距1 000 mm方案的应力计算。从结果的分布中可以得到，换热管在弯管区应力最大为307.14 MPa，热应力也是在弯管区最大为304.57 MPa。在弯管区处进行线性化，可以得到薄膜加弯曲应力为225.27 MPa，换热管与管板连接处的轴向应力为14 MPa，轴向力为725.95 N。

（2）弯管段跨距1 300 mm方案的应力计算。从结果的分布中可以得到，换热管在弯管区应力最大为183.09 MPa，热应力也是在弯管区最大为179.33 MPa。在弯管区处进行线性化，可以得到薄膜加弯曲应力为133.93 MPa。换热管与管板连接处的轴向应力为9.35 MPa，轴向力为487.16 N。

（3）弯管段跨距1 500 mm方案的应力计算。从结果的分布中可以得到，换热管在弯管区应力最大为139.62 MPa，热应力也是在弯管区最大为135.37 MPa。在弯管区处进行线性化，可以得到薄膜加弯曲应力为101.79 MPa。换热管与管板连接处的轴向应力为8.06 MPa，轴向力为422.33 N。

4 结语

该文根据方案设计阶段确定的管束热应力补偿方式，制定管束结构设计原则，并在此基础上给出结构设计的待选方案，弯管段跨距分别为1 000 mm、1 300 mm和1 500 mm；通过合理假定开展换热管待选结构设计方案的应力计算，得到换热管与管板连接处轴向应力和轴向力。可以得到下面结论：换热管应力主要是由于温度载荷造成。随着弯管长度增加，换热管应力值逐渐减小。弯管区从1 000 ～1 300 mm时，应力减小明显从307.14 MPa降到183.09 MPa。

该文根据方案设计阶段确定的管束热应力补偿方式，制定管束结构设计原则，并在此基础上给出结构设计的待选方案；根据工况输入开展管束待选结构设计方案的应力分析和计算，为后续开展的管接头结构设计与中间热交换器管束结构设计的匹配提供输入。

参考文献

[1] 郭崇志，周洁.固定管板式换热器的温差热应力数值分析[J].化工机械，2009（1）：41-46.

[2] 李成植，金莹.单管式螺旋管热交换器仿真研究[J].石油化工设备，2013（2）：14-18.