高压反应水冷凝器有限元应力分析

(风凯换热器制造(常州)有限公司，江苏 常州 213164)

热交换器因其换热效率高，成为一种应用较为广泛的化工设备，其结构设计的合理性关乎着生产效率以及设备的运行安全性[1]。目前基于ANSYS分析软件对热交换器的分析、校核、结构改进有了较为丰富的经验[2]。杨玉强等针对热交换器的管板厚度没有标准依据，根据现有的经验设计的管板厚度，对其进行 ANSYS强度应力分析，发现根据经验设计的管板厚度能够满足强度要求，但厚度过于保守，进行优化设计，有效地降低了管板厚度[3]。盖超会等对主要的承压元件法兰进行有限元分析，同时考虑机械载荷和温度载荷共同作用，选取法兰6个危险截面进行了应力强度分析，保证结构的安全可靠[4]。李群芳等针对设计中的难点之一接管的许用外载荷，基于ANSYS仿真分析，得出外载荷对各部位应力强度影响规律，可有效预测结构该结构的组合承载能力。对于高压反应水冷凝器的管板、管箱部分筒体、壳程部分筒体及换热管局部结构，本文采用ANSYS分析软件，分该位置处在承受三种不同载荷后的应力分布情况,验证该高压反应水冷凝器结构形式的合理性，所得的结果为此高压反应水冷凝器的检验以及结构的优化改进提供了一定的依据。

1 高压反应水冷凝器结构

高压反应水冷凝器的主体结构如图1所示，其中1086根换热管按正三角形方式排布，壳程的冷却水与管程的氧化氮气不断进行热量交换，以保证高温氧化氮气降低到规定温度。

可以按照GB/T150-2011《压力容器》及GB/T151-2014《热交换器》进行此高压反应水冷凝器主体结构的设计，管板、管箱部分筒体、壳程部分筒体及换热管组成的局部结构处的工况较为复杂，故采用较为常用的大型有限元计算软件ANSYS对此高压反应水冷凝器的管板及换热管部位处的应力水平进行有限元仿真计算，应力评定方法参照JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》，其局部结构处相关材料的许用应力仍按GB/T150-2011《压力容器》标准中的有关规定选取。该冷凝器壳程设计温度为70℃，管程设计温度为160℃，具体的材料物性参数如表1所示，其中材料的弹性模量、许用应力、线膨胀系数等考虑随温度变化。

图1 高压反应水冷凝器主体结构 表1 材料物性参数

筒体管箱换热管管板材料Q345RS30403S3040316MnⅢ导热系数/(W/m.k)16.316.316.316.3弹性模量/GPa205191191203线膨胀系数/10-611.1216.8416.8411.53许用应力/MPa181118118181

2 有限元分析

2.1 建立模型

根据此高压反应水冷凝器的结构特点，考虑模拟仿真所需耗时，将原结构进行简化建模仿真。由于管板分别与管程筒体焊接为一体，所建立的模型把管板和管程筒体一起进行建模，由于此高压反应水冷凝器为对称结构，可仅模拟分析此高压反应水冷凝器的1/4结构。根据现有的板壳理论研究：当离开不连续处的距离(即圆筒的长度)超过 (其中R为圆筒半径,δ为圆筒壁厚)时，边缘应力的影响可以忽略不计。在实际计算时，一般取圆筒的长度不小于 。考虑到筒体的过渡段和直段，因而这里建模取筒体长度的一半进行分析，所建模型如图2所示。

2.2 网格划分

对所建立的1/4高压反应水冷凝器结构三维模型进行节点数较多的结构化网格划分，这样虽然所需仿真时长较长，但可以真实反应换热器在压力载荷及温度载荷共同作用下的应力特征。仿真计算采用8节点六面体单元solid 45，图2为由管箱侧看到的有限元分析模型。

图2 有限元计算模型

2.3 边界条件及载荷

将管程压力载荷、壳程压力载荷与温度载荷等三种载荷工况进行组合，可以得到包括开工、正常工作和停工过程中可能会出现的七种瞬态和稳态操作工况。由于结构设计中采用了膨胀节，筒体与换热管之间的温差应力可以通过膨胀节补偿，因此，上面七种工况中只需要计算上表中开工情况下的三种，都以设计压力进行计算。设计工况只考虑设计压力，不考虑温度载荷。分别对模型的对称面施加对称约束条件，分别对管程和壳程施加工作压力，在管程筒体的端面施加平衡载荷，具体的载荷与约束边界条件见图3。

图3 载荷与约束示意图

3 结果与讨论

首先模拟仿真壳程、管程同时开瞬间工况应力分布。管板上应力强度分布情况如图4所示。应力强度的最大值出现在图5的靠近边缘(图中MX标示处)的筒体与管板连接区域，最大值为104.622 MPa，由于该处的几何突变的存在，其应力属于含峰值应力成分，小于三倍许用应力，因此，满足强度要求。

图4 管板管程侧应力强度分布云图

图5为将管板移开后换热管的总体应力强度分布。从两块管板间的换热管的应力分布来看，靠近外围区域的管束承受的应力水平高于中心的管束。图中显示的应力最大值是由于管板变形，换热管与管板连接的要满足变形协调所引起的

图5 除去管板后换热管的应力强度分布云图

换热管轴向应力分布如图6所示。由图6可见，最外侧换热管的最大轴向应力为19.7696MPa，出现在与管板连接的端部。

图6 换热管轴向应力分布

管程筒体应力和壳程筒体应力强度分布云图分别如图7、图8所示，其其最大应力均小于各自所允许的许用应力，结构强度满足要求。

图7 管程筒体应力强度分布云图

图8 壳程筒体应力强度分布云图

按相同的方法分别模拟方法壳程先开瞬间工况和管程先开瞬间工况下的应力分布，分析管板壳程侧应力强度分布、管板管程侧应力强度分布、除去管板后换热管的应力强度分布、换热管轴向应力、管程筒体应力强度、壳程筒体应力强度应力分布，发现以上的三种工况下，各部分的最大应力值均远小于其许用应力。

4 应力评定

我国JB4732压力容器分析设计标准要求对计算部位的应力作详细计算，按应力的性质、影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给予不同的限制条件。从上面应力图可看出，管程筒体与管板的连接位置处出现了最大应力，因此，应力评定线取为垂直于最高应力值的等场强线或垂直于横截面的中线处，1-1评定线分别对应此位置。评定结果如表2所示。

表2 应力分类线的应力强度评定

5 结论

对高压反应水冷凝器管板局部结构部位在三种不同的给定的设计载荷工况以及工作载荷工况下的应力分布情况进行ANSYS分析，可以得出：此高压反应水冷凝器的管板、管箱部分筒体、壳程部分筒体及换热管在给定的设计载荷工况以及工作载荷工况时，强度、刚度均能满足强度要求，因此结构安全，可以安全使用。此外，通过ANSYS分析仿真所得的结果也为此高压反应水冷凝器的检验以及结构的优化改进提供了一定的依据。