固定管板换热器的机械场应力分析

固定管板换热器的机械场应力分析

一、            背景

换热设备室一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占设备总数的40%左右，占总投资的30%~45%。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。我国管壳式换热器的设计标准采用GB151-1999。但随着设备的大型化及操作的高参数化，不断出现超标的换热设备。目前，对于这些设备可参照JB4372-1995利用有限元法进行分析计算并评定。计算与评定时一般应考虑四种危险工况，即：只考虑壳程压力、只考虑管程压力、同时考虑壳程压力与温差、同时考虑管程压力与温差。

二、            问题描述

某台卧式固定管板换热器，壳程金属设计温度下的设计应力强度Sm=183MPa，管程金属设计温度下的设计应力强度Sm=118MPa，壳程设计压力为0.58MPa，管程设计压力为2.0MPa，壳程操作温度为140.5摄氏度，管程操作温度为250摄氏度。其他参数如下：

    进、出口管板：管板为带凸肩的整煅件，凸肩高度35㎜，壳程侧凸肩计算壁厚17㎜，管程侧计算凸肩壁厚18.5㎜，凸肩与管板连接处锻造圆角半径15㎜，如图1所示；管板外直径为φ840㎜，管板计算厚度100㎜。进出、口端材料为0Cr17Ni12Mo2，弹性模量E=2e5MPa，泊松比µ=0.3。

    壳程筒体：内直径为φ806㎜，计算壁厚等于17mm，材料为16MnR,弹性模量E=2e5MPa, 泊松比µ=0.3。

换热管：三角形布管，管间距38㎜，外直径25㎜，换热管长度为5000㎜，厚度为2.5mm；共布有336根换热管（忽略拉杆并代之以换热管），材料为0Cr17Ni12Mo2，弹性模量E=9.371e4MPa, 泊松比µ=0.3，管板布管图如图3所示。

管箱筒体：内直径为803㎜，管箱长度350㎜，计算厚度为18.5㎜，材料为0Cr17Ni12Mo2，弹性模量为E=2.078e5MPa，泊松比µ=0.3。

以上所有尺寸都是减去腐蚀余量后的尺寸，壳程材料腐蚀余量3㎜，管程材料腐蚀余量1.5㎜，换热管不必减腐蚀余量。

三、            问题分析

建立如图4所示的机械应力分析模型（换热管未画出，仅以子午面示意）。其中与管板煅件连接的壳程筒体及管程筒体的长度足够长，远大于2.5倍的边缘应力衰减长度，一般而言，当不必考虑两侧管板轴向差异时，才可利用轴向对称性建模，且壳程分析长度应为壳程总长度的一半。由于主要讨论管板及其与两端筒体连接区的应力分布规律，忽略开孔接管、管箱封头及支座等。考虑到结构和载荷的对称性，沿换热器的纵向对称面切开取其1/4作为分析模型体。结构纵向对称面约束了法向位移，壳程筒体横截面约束了轴向位移，箱管筒体断面施加相应的轴向平衡力。换热管内表面可以时间管程压力，外表面可以施加壳程压力，管板两侧分别施加SOLID45单元进行机械应力分析。

四、            有限元分析过程

五、            计算结果分析

应力强度云图如图10所示，可见最大应力发生在管板煅件的管程侧过渡圆角处。其他可能出现较大应力的位置是管板煅件的壳程侧过渡圆角处和管板的主体位置上，为此设定图11所示的三条评定路径，进行线性化处理，并给出前三条路径的计算结果图标1所示。

表1 应力分类结果

工况	路径	PL,MPa	PL+Pb+Q,MPa
Ps=0.58 Pt=2.0	1-1	22.81＜1.5Sm	80.07＜3Sm
	2-2	14.64＜1.5Sm	20.12＜3Sm
	3-3	3.670＜1.5Sm	24.92＜3Sm
Ps=0.0 Pt=2.0	1-1	24.56＜1.5Sm	86.47＜3Sm
	2-2	16.93＜1.5Sm	34.01＜3Sm
	3-3	3.001＜1.5Sm	24.25＜3Sm
Ps=0.58 Pt=2.0	1-1	3.525＜1.5Sm	7.720＜3Sm
	2-2	3.525＜1.5Sm	19.70＜3Sm
	3-3	0.617＜1.5Sm	6.667＜3Sm

 

提取换热器轴向对称面上的计算结果数据，得到筒体轴截面上各点轴向应力的平均值以及换热管轴向截面上轴向应力的最大平均值如表2所示，以便校核筒体与换热管的稳定性及管板与换热管拉脱力。

 

表2 轴向应力计算结果

工况	筒体轴向应力MPa	换热管轴向应力MPa
Ps=0.58  Pt=2.0	8.312	-1.532
Ps=0.0   Pt=2.0	3.628	-2.224
Ps=0.58  Pt=0.0	4.684	0.690

 

换热设备分析.docx