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管殼式換熱器溫度和壓力載荷

對一個管殼式換熱器進(jìn)行溫度和壓力載荷作用下的有限元強(qiáng)度分析,并對這兩種載荷作用 下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)做分類研究,然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),作同樣的分析。比較這些結(jié)果,得出考慮溫度載荷作用下的換熱器強(qiáng)度校核的規(guī)律和結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)。

管殼式換熱器是化工、石油、輕工、能源等工業(yè)應(yīng)用廣泛的過程設(shè)備之一，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適用性較強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)是GB151［1］，GB151 中關(guān)于換熱器管板強(qiáng)度校核是根據(jù)彈性基礎(chǔ)上薄板理論，在軸對稱結(jié)構(gòu)的條件下，將薄板的三維變形簡化為二維梁式變形，由此來計算其強(qiáng)度的。而換熱器殼體厚度的選擇，主要是根據(jù)殼體所受到的殼程壓力來確定。

換熱器由于其工作特點(diǎn)，不僅有管程壓力和殼程壓力等載荷作用，而且還要受到工作介質(zhì)的溫度載荷作用。在GB151 中對壓力載荷，給出了管板和殼體的尺寸選擇，及固定管板兼作法蘭的管板和殼體的連接方式。然而，對于在溫度載荷作用下，這些尺寸卻沒有具體的說明要求。

本文通過一個管殼式換熱器的強(qiáng)度校核，將載荷分類為壓力載荷和溫度載荷，來說明結(jié)構(gòu)在這些載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)而提出該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的意見。本文采用三維有限元的分析方法，來研究其內(nèi)在規(guī)律。

換熱器結(jié)構(gòu)尺寸及載荷工況

BEM型換熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，管板上共有500 根換熱管，分布在管板的上半部分，左右對稱。結(jié)構(gòu)尺寸和材料：管板內(nèi)徑：1300 mm；管板厚度：80mm；法蘭外徑：1460 mm；管板材料：00Cr19Ni10；殼體厚度：24mm。

為簡化計算，在建立有限元模型時，只考慮換熱器的管板、殼體、管束和膨脹節(jié)等主要結(jié)構(gòu)，法蘭墊片用等效的均布比壓來代替。

由于整臺換熱器結(jié)構(gòu)是前后左右對稱，所以只取組合體的四分之一，換熱管長度取一半。換熱管是細(xì)長形狀，所以用桿單元來模擬。這樣的作法對管子附近的管板應(yīng)力計算是不準(zhǔn)確的，事實(shí)上，如果考慮換熱管和管板的脹焊連接，該處的真實(shí)應(yīng)力也很難計算。根據(jù)圣維南原理，這樣處理對遠(yuǎn)處的非布管區(qū)管板的計算影響不大。

殼體和膨脹節(jié)用20節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分網(wǎng)格，管板用10 節(jié)點(diǎn)四面體單元來劃分網(wǎng)格，在管板和殼體過渡的區(qū)域是13節(jié)點(diǎn)的五面體錐型單元。管束用2節(jié)點(diǎn)桿單元來劃分網(wǎng)格。表示換熱管的桿單元節(jié)點(diǎn)與表示管板的實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)在對應(yīng)位置上重合。整個分析過程?**用ANSYS有限元軟件來完成。

在結(jié)構(gòu)的前后對稱面和左右對稱面上加上對稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。換熱管的一端固定位移，另一端與管板連接。此外，還需要限制整體結(jié)構(gòu)的剛體位移。

取正常操作工況為校核的工況，其具體數(shù)值為：殼程壓力：Ps .= -0.1 MPa；殼程溫度：Ts=230℃；管程壓力：Pt =0.2MPa；管程溫度：Tt=50℃；管板溫度：T=140℃；法蘭墊片壓力：Pc=69MPa；法蘭螺栓預(yù)緊力：116.5kN。

由于管板上的開孔面積只占其總面積的約5%，所以忽略當(dāng)量壓力和管程壓力之間的差別。

根據(jù)換熱器操作工況下溫度載荷的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，其分布如下：在結(jié)構(gòu)的下半部，管板的中截面處的溫度為140 ℃，膨脹節(jié)處的溫度為230 ℃，在結(jié)構(gòu)的上半部，管板的中截面處的溫度為120℃，膨脹節(jié)處的溫度為200 ℃，從管板到膨脹節(jié)，根據(jù)空間位置的不同，進(jìn)行雙線性插值。筋板的溫度，也按照這一規(guī)律進(jìn)行插值。