熔盐冷却器管板有限元强度校核

赵晟辰

摘    要：应用有限元分析技术，对熔盐冷却器管板在设计温度和压力载荷作用下进行强度校核。根据应力计算结果，分析温度与压力载荷对管板的影响，并考虑不同压力载荷组合的情况。

关键词：有限元;管板;强度校核

中图分类号：U664.7                                文献标识码：A

Abstract： The finite element analysis technology is used to check the strength of the molten salt cooler tube plate under the design temperature and pressure load. According to the results of stress calculation， the influence of temperature and pressure load on the tube plate is analyzed， and the combination of different pressure loads is considered.

Key words： Finite element analysis; Tube plate; Strength verification

1    前言

熔盐冷却器属于管壳式换热器，管板是熔盐冷却器的主要零部件之一。熔盐冷却器的管板设计是否合理，对于容器使用安全、降低成本和节约材料等方面影响巨大。对于熔盐冷却器的管板，其温度和压力载荷为管板的主要载荷类型。管板的失效模式中，由于温度和压力引起的热应力破坏为其主要的失效模式，考虑温度和压力载荷对管板的影响意义重大。

ASME锅炉及压力容器规范给出了管板设计的计算方法。对管板作出一定的简化，将管板视为承受均匀分布的载荷并承受管孔削弱作用的当量圆形厚板。然后根据载荷的类型、边界条件、管束的性能参数等确定管板的剪切应力和弯曲应力;而在实际应用中，管板除承受温度载荷作用外，还承受壳程压力、管程压力两种载荷的作用;此外，包括螺栓预紧力以及密封圈压力等都会对管板受力及其应力分布产生影响。

本文采用三维有限元分析的方法，综合考虑温度和压力载荷的作用，对某型熔盐冷却器上部管板的强度进行分析校核，并且对不同压力载荷组合情况下管板的应力分布进行分析计算。

2   熔盐冷却器管板结构

某型熔盐冷却器为立式结构，如图1所示。其上管板共有1 108根换热管，换热管在管板上对称分布，上方为一球形封头;管板通过一根φ426x30的补强接管与球形封头相连，参见图2、图3。

3   熔盐冷却器管板的有限元分析

熔盐冷却器管板计算规范采用ASME锅炉及压力容器规范。在有限元分析，对管板建模时，为了简化计算只考虑管板、壳体、管束、接管及封头的一部分，密封圈压力采用等效均布压力，并简化螺栓预紧力。由于熔盐冷却器结构是左右对称的，所以分析模型只取该结构的二分之一，换热管管束取至管板下方50 mm。

分析采用ANSYS workbench软件，封头部分、管板外侧、接管部分采用20节点六面体单元，换热管管束及其它部分采用10节点四面体单元划分网格。

在熔盐冷却器管板模型的对称面上施加对称边界条件，即这些对称面上的法线位移为零;换热管管束一端约束，另一段连接在管板上，即换热管的一段被约束其轴向的平移和位移;管板与管束为焊接，由于模型中换热管较多，将连接处简化，视换热管与管板连为一体;将密封圈压力加在密封面上;温度载荷、壳程压力、管程压力按照实际工况添加。

熔盐冷却器管板结构的三维模型，见图4、图5;有限元网格模型，见图6。

熔盐冷却器及管板结构参数如下：管板外径1680 mm、管板厚度270 mm、接管内径430 mm;管板、封头、管束及接管的材料参数、计温度和压力条件见表1。

4   结果分析

经过有限元应力计算：整个熔盐冷却器管板在温度和压力载荷作用下的等效应力云图，如图7、图8所示;等效应变如图9所示;整体变形如图10所示，可见在压力作用下管板变形最大在管板中心部位，约为0.31 mm。

由图7可知：管板最大等效应力发生在管板下部接管连接处中线位置，最大应力为77.13 MPa。因为该管板和接管连接处结构不连续，导致因满足变形协调而产生的局部应力，从而产生应力集中，其计算应力包含一次应力、二次应力和峰值应力。并且此处的温度梯度较大，存在热应力;另外管板上部与接管连接处的应力也较大，此处也是由于结构不连续与热应力的叠加造成。

为进一步分析应力构成，对若干位置做应力分类线，如图11、图12所示。

根据ASME锅炉及压力容器规范中应力线性化分解的要求，应力线性化分类评定结果见表2。其中，S为对应的材料许用应力、PL为局部薄膜应力、Pb为一次局部弯曲应力、Q为二次应力、F为峰值应力。

D-D、E-E处应力分类结果，如图13、图14所示。

5   结论

从熔盐冷却器管板的有限元计算结果可知，温度和压力载荷对管板结构应力分布存在影响，从应力分布图可以看出：

（1）有限元模型对计算结果存在影响，模型越接近实际则计算结果越能够真实反应实际应力分布状况;

（2）温度载荷对管板产生较大的热应力;

（3）从整个熔盐冷却器管板来看，最大应力不是在管板上，而是在结构不连续的管板与接管连接处。

参考文献

[1] ASME VIII-2. ASME锅炉及压力容器规范第VIII卷第2册[S].

[2] 凌桂龙. ANSYS Workbench 15.0从入门到精通[M]. 清华大学出版社， 2014.

[3] 龚曙光， 谢桂兰. 压力容器分析设计中的应力分类方法[J]. 化工裝备 技术， 2000， 21（3）.