周杨1 张光林2
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摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。
关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析
一、概述
固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。
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二、有限元模型建立
（一）材料参数
本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。S31803材料具体性能如下：
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（二）材料尺寸
本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。
壳程筒体厚度：
因设计压力P=0.6MPa<04KSm=0.4x1x246.7=98.68MPa，因此壳程计算厚度为
测量厚度为8mm，计算厚度为β1=β-C1-C2=8-0-0.8=7.2mm；
因此固定管板式换热器的建模厚度为7.2mm。
其中，P是设计压力；K是载荷组合系数；s是设计应力强度；D是筒体的内直径；C1是腐蚀量；C2是材料厚度偏差。
锥壳厚度：
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其中，α是锥壳半顶角，R表示切点半径，β是测量厚度。
（三）物理模型
使用有限元分析换热器结构，因为换热器结构具有承载性和对称性，以换热器中段为截面，建立了有限元模型。对于压力荷载，计算结果与实际结构相吻合；对于温度荷载，沿轴方向不存在对称性，为了保守处理将其作为对称轴。以温度较高的一侧管子作为试验体进行计算，结果高于实际值。本文使用ANSYS软件利用间接耦合分析法[4-5]，先利用热分析分析出结构的节点温度场，然后分析结构，使用SOLID70三维实体单元分析结构的热应力。沿轴（Z轴）截面的中间和穿过该轴的平面被视为对称平面。温度场分析边界条件管的进出口温度为40/50℃，壳程进出口温度为60/55℃。
根据不同工况的组合，对换热器进行了有限元分析。根据GB151标准，考虑了四种工况情况：工况一，计算温差应力时，仅仅使用温度载荷；工况二，在设计荷载时，壳程施加1.0MPa的力，管侧的压力为-0.1MPa；工况三，设计荷载下壳侧施加-0.1MPa的力，管侧力2.5MPa；工况四，操作时，壳侧压力08MPa，管侧压力2.2MPa，同时要考虑温差应力。由于壳程、管程、管板表面的具体温度不易提供，因此对其数据进行保守估算。调整工况一的温度，为工况一施加温度载荷：使管侧以及管板表面的温度达到30℃，壳侧表面温度为120℃出口平均温度为40℃，在这种温差极大的条件下分析，结果偏向保守。调整工况二的压力载荷：往壳程施加1.0MPa的压力，管侧减小0.1MPa压力；减小工况三的壳程1MPa的力，在管程增加2.5MPa的力；工况四，调整壳程压力调整到0.8MPa，管程压力调整到2.2Mpa，增加温差应力。在温度荷载条件下，结构受管程温度、壳侧温度和管板温度的影响；在压力荷载条件下，结构受管侧压力、壳侧压力的影响。由于结构为线弹性，变形小，故两种工况下的结果均为正常运行工况下的结果。
由于换热器设备庞大结构复杂，计算有较大的困难，因此有必要对模型进行简化。由于设备在形状和载重方面是对称的，因此采用1/4实体造型，通过增加对称载荷来增加结果的准确性；同时壳体与换热管相连的长度符合边缘效应衰减的基本条件，因此根据边缘效应影响公式可得，管板的长度为650毫米。模型两截面对称约束，换热管与筒体端部连接时，为防止截面位移施加横截面力，法兰密封面使用垫片增加压力，上管箱内、外壁和换热管内壁施加压力，连接螺栓施加平衡力。
三、反应分析
设计工况下的模型整体结构不连续，因此本文以《钢制压力容器——分析设计标准》为依据对模型进行应力分析。通过整体实验可知，喷嘴和简体连接处的应力强度最大达257MPa，上管板的应力强度最大达245MPa，对四种工况分别模拟实验克制，管板与筒体的连接处应力较大，管板与管板的连接也存在较大的压力。在强度评定中，分析应力强度最大的节点和其他应力强度较高的区域，选择相应部位的节点和对应节点，沿壁厚方向置应力线性化路径。进行强度评定时，选取应力强度最大的区域和较强的区域，沿着壁厚方向设计路线，例如：选择管子与管板之间的连线为路径，应力强度为104.2MPa，或者管板到筒体之间的连线为路径，应力强度为252.2MPa。实践表明，换热器的结构能满足反应分析的要求。
四、疲劳分析
为了确定固定管板式换热器的承受能力，本文对其进行了疲劳分析，疲劳分析过程中主要考虑因素如下：（1）将壳程的温差和压力变化分别当做独立变量考虑，应力强度最大的节点是压力变化引起的应力变化幅度最大的点；（2）将壳程的温差和压力变化分别当做独立变量考虑，应力强度最大的节点是温度变化引起的应力变化幅度最大的点；（3）将温差和壳程压力变化的认为是同步为一个因素考虑；（4）将温差和壳程压力变化的异步为不同的因素分别考虑；以上四种情况分析结果如下图3。
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图3 疲劳分析结果
本文对换热器接管也进行了疲劳分析，计算了应变强度的最大值和最小值，并将差值的1/2作为交变应力幅值进行评定。实践表明，换热器的结构能满足疲劳强度要求。
五、结论
本文利用不锈钢S31803材料制作固定管板式换热器，在缺少部分工艺参数的条件下，采取保守数据进行试验，是实践结果是符合理论知识的。固定管板式换热器受换热器本身结构和材料的影响，尤其是部分结构连续性差的区域应力十分复杂，常规计算方法无法准确计算。因此本文以《钢制压力容器一分析设计标准》为计算标准与依据，设计并分析了换热器的应力和疲劳度。结果表明本文的换热器模型应力强度符合要求。同时换热管和管板连接域的温度变化大，实际制作换热器时应重点关注和设计这一部分。并且分析固定管板式换热器疲劳反应时应该把各种情况下的疲劳反应叠加计算。
参考文献：
[1]吕明略,杨鑫,张瑶.换热器的现状分析及分类应用[J].当代化工, 2018,47(3):582-584.
[2]薛明德,吴强生.固定管板式换热器管板温度场的分析方法[J].核动力工程,1998（10）：402-407.
[3]李建国,薛明德.JB4732-95《钢制压力容器一分析设计标准》培训教材[M].北京：全国压力容器标准化技术委员会秘书处,1995.
[4]余伟伟,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:水利水电出版社,2006.
[5]李黎明.有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社.2005.