固定管板換熱器優(yōu)化設(shè)計分析

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【內(nèi)容摘要】由于管板厚度無法滿足拉脫力的要求，考慮優(yōu)化選擇合適厚度的管板。因此采用有限元方法對固定管板換熱器在3種不同厚度管板的工況下，分析計算換熱器管板的溫度及應(yīng)力分布情況，可對換熱器的管板厚度進行優(yōu)化，在滿足拉脫力的情況下，選擇合適的管板厚度，以獲得一個經(jīng)濟又安全的設(shè)計結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】換熱設(shè)備;固定管板;ANSYS;耦合場

一、引言

換熱設(shè)備是核電、化工、石油及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的設(shè)備，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適用性，至今仍占據(jù)主導(dǎo)地位。在固定管板換熱器中，殼體，管板和換熱管之間為剛性連接，在各種載荷作用下的變形必須互相協(xié)調(diào)。本文采用有限元分析的方法，計算固定管板換熱器在內(nèi)壓和溫度載荷耦合場的作用下，其管板所受的應(yīng)力，并分別計算了不同厚度的管板所受的應(yīng)力，以獲得管板厚度與應(yīng)力的關(guān)系。

二、工作條件與結(jié)構(gòu)

本文以核電廠的某冷卻器為例，該換熱器為固定管板式換熱器，殼體為Ф219.1×4mm，換熱管為Ф19×2mm，正三角形排列，管板上共布了26根管子，管板厚度為30mm，殼體厚度為4mm，殼側(cè)材料為022Cr19Ni10，管側(cè)材料為022Cr17Ni12Mo2。換熱器的設(shè)計參數(shù)如下:設(shè)計壓力:管程pt=0.66MPa，殼程ps=0.5MPa;設(shè)計溫度:管程進出口溫度為20℃～70℃，殼程流體發(fā)生相變，進出口溫度均為138.8℃。材料的彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為ν=0.3。換熱管與管板的連接采用脹焊并用的方法，焊接后進行脹接。在之前的工程中出現(xiàn)過該換熱器由于工廠工藝限制，無法滿足換熱器的管子和管板之間拉脫力的要求，為此工廠不斷提高脹接壓力試圖達到所需的拉脫力。隨著脹接力的增加，殘余接觸應(yīng)力的峰值也會增加，使換熱管在脹管區(qū)和非脹管區(qū)的應(yīng)力都不斷增加，令管板內(nèi)的換熱管發(fā)生開裂，并且制造廠在提高脹接壓力后發(fā)現(xiàn)換熱管的壁厚減薄率超出適用范圍，無法滿足設(shè)計需求，最后只能通過增加脹接距離的方法來提高拉脫力，但在非脹管區(qū)進行脹接需要工廠操作控制得當，否則容易損壞焊縫，因此不推薦該做法。通過經(jīng)驗反饋，吸取以往的工程經(jīng)驗，將本換熱器重新進行優(yōu)化設(shè)計，考慮將管板的厚度增加，以滿足拉脫力的要求。理論上增加管板的厚度相當于加強其剛度，是降低應(yīng)力的一個措施，到底是不是這樣還需要計算所得，通過有限元分析來獲取一個合適的管板厚度。因此接下來利用ANSYS熱結(jié)構(gòu)耦合場分析方法對管板進行分析。

三、有限元建模

以厚度為45mm的管板為模型，利用熱工計算出的換熱參數(shù)，對換熱器進行溫度場分析，完成熱分析后，再施加結(jié)構(gòu)載荷再通過耦合場分析，獲得管板的應(yīng)力，分別計算不同厚度的管板其應(yīng)力的大小來獲得管板厚度與應(yīng)力的關(guān)系，來選擇最合適的管板厚度。(一)載荷與邊界條件。為了提高計算的精度，真實模擬換熱管與管板連接處各個部件的應(yīng)力狀態(tài)，管箱、管板、換熱管和殼體均采用實體單元，為減少計算量，利用對稱功能將其簡化為1/4的實體分析模型，在殼側(cè)只保留一部分的外伸換熱管和殼體，外伸長度，設(shè)置材料參數(shù)屬性，并對其進行網(wǎng)格劃分，(二)熱分析施加載荷與邊界條件。熱分析過程中，只為模型添加熱載荷，不需添加力邊界條件。首先為模型添加對流傳熱方式，設(shè)置換熱器內(nèi)部流體與換熱器壁面為對流邊界，根據(jù)熱工計算結(jié)果，分別輸入殼程和管程的對流傳熱系數(shù)11432.1W/m2℃與2407.1W/m2℃，對換熱管的外表面、殼程筒體內(nèi)表面和管板殼側(cè)表面施加138.8℃的溫度載荷，并對換熱管的內(nèi)表面、管箱內(nèi)表面和管板管程表面施加20℃的溫度載荷。(三)結(jié)構(gòu)分析模型載荷與邊界條件。在熱分析后進行結(jié)構(gòu)分析，此時在換熱器的殼側(cè)和管側(cè)施加相應(yīng)的壓力載荷;壓力載荷施加完成后再將熱分析得到的溫度分析結(jié)果作為載荷加載到模型上。力邊界條件為，在換熱器的對稱面上施加位移約束。

四、計算結(jié)果

(一)熱分析結(jié)果。為換熱器的溫度場分布云圖，通過熱分析可清楚看出換熱器在正常工況下各處的溫度分布情況。可見殼體和管側(cè)筒體的溫度分布較為均勻，管板與殼側(cè)筒體連接區(qū)域的溫度梯度較大。最大應(yīng)力發(fā)生在管板與殼體連接的地方，靠近底部;分析原因，一是管板與殼體連接處溫度變化劇烈，從高溫急劇變化到低溫，該區(qū)域存在較大的溫差，于是受到的應(yīng)力急劇增大;二是殼體與管板的厚度相差較大，造成了連接處的不連續(xù)性，形成了局部的應(yīng)力集中;三是管板材料為022Cr17Ni12Mo2，殼體材料為022Cr19Ni10，兩種不同的材料性能存在差異。(二)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)分析時，將熱分析的結(jié)果導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模塊中，溫度場分析所得的節(jié)點溫度作為載荷施加到模型上，同時施加力邊界條件，可見最大應(yīng)力值發(fā)生在管板與管程筒體的連接處，其他較大應(yīng)力的位置是殼程筒體與管板連接處和管板開孔的位置，這三個位置均為結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，因為得到的應(yīng)力較大。對其進行應(yīng)力線性化，對應(yīng)力進行評定，換熱器滿足工作要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。(三)管板厚度對比分析。以上的分析是以管板厚度45mm為例，獲得換熱器所受的應(yīng)力，為了獲得不同管板厚度下?lián)Q熱器的應(yīng)力分布，本節(jié)分別選擇管板厚度為30mm，45mm和60mm對其進行熱分析與結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力計算，可見當管板的厚度達到一定值后，增加管板的厚度并未降低所受應(yīng)力，原因在于殼體壁厚較小(4mm)，兩者的剛度相差較大，換熱器結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力主要由管板和殼體之間的溫度載荷及內(nèi)壓引起，由于增加了管板的厚度，管板抵抗變形的剛度變大，對與之連接的殼體有較強的約束，形成局部的應(yīng)力集中。因此選擇管板厚度45mm是比較合適的。經(jīng)工廠驗證，在該脹接距離下脹接壓力不超過200MPa就可以達到所需的拉脫力，管子的壁厚減薄率也滿足要求。

五、結(jié)語

第一，殼側(cè)與管側(cè)的溫差較大，由于溫差的存在會形成較大的溫差應(yīng)力，因為溫度載荷對管板會造成較大的熱應(yīng)力，因此對溫差較大的換熱器進行結(jié)構(gòu)熱耦合分析非常必要。第二，在施加了熱載荷和力邊界條件后，發(fā)現(xiàn)最危險的區(qū)域沒有發(fā)生在管板上，而是發(fā)生管板與殼體的連接處，因該處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，容易形成較大的應(yīng)力。第三，管板厚度的增加并不一定能降低應(yīng)力，管板的厚度需與殼體的厚度相匹配，以免造成局部的應(yīng)力集中。采用有限元分析的方法將溫度場和結(jié)構(gòu)分析相耦合，通過計算管板在壓力載荷和溫度載荷聯(lián)合作用下的應(yīng)力，優(yōu)化了管板的厚度，使其既滿足了拉脫力的要求又滿足了經(jīng)濟性要求，為管板強度的設(shè)計提供了借鑒。

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作者:李媛 單位:中國核電工程有限公司