管壳式换热器有限元分析及安全评定

李敏，李敬

（山东华鲁恒升化工股份有限公司， 山东 德州 253000）

换热器主要受温度及机械载荷的影响。温度及机械载荷会分别引起热应力和机械载荷应力的变化。机械载荷包括管程和壳程压力，机械载荷与热应力遵循不同的安全判据。不过在实际的换热器运行中，温度和压力是同时存在的。

1 加载与求解

在此工况下对管板分别加载1.1 4 M P a 和0.2 6 M P a 的压力，对进口和出口端筒体施加1.14MPa压力，对换热器壳体上施加0.26MPa的压力，不施加任何温度载荷。如图1、图2所示。

图1 强力云图管板应力

图2 路径图

1.1 结果分析

在机械载荷作用下，管板的应力云图出现有规律的变化，在管板厚度上的应力是连续变化的，未出现明显分层；管板径向应力沿管板边缘中央变大，而应力集中主要存在于管板与管程筒体、壳程筒体相连接的部位。应力的最大值一般出现在管程筒体与管板连接的周向处，应力最大值一般为30.32MPa。由此可见，选取path23、path24和path25路径进行线性化分析[1]。

(1)路径path23分析

路径Path23是在管板从管到壳的轴线方向截取的[2]。堆焊层厚度为3mm，如图3所示。

图3 Path23应力变化

图4 Path23热应力变化

如图3所示，在path23路径中应力先减后增。在管程侧压力为1.14MPa，应力随厚度增加而减小。如图4所示，本工况下的应力强度与只有管程压力下应力强度变化趋势一致，只是大小上表现有些差异[3]。

(2)路径path24分析

应力云图所显示出的应力强度就在这条路径上出现了最大值。

图5 Path24应力变化

图6 Path24热应力变化

如图5、图6所示，1.14MPa的管程压力对机械载荷的应力强度变化情况和大小起决定作用。

(3)路径path25分析

应力云图上显示应力强度在此路径（方向为由内到外）上达到出现了应力集中。这主要是由于形状不连续和管程压力影响产生的。如图7所示，前7mm受到拉应力的作用，当达到最小值1.40MPa后，逐渐受到拉应力的作用[4]，到达外表面时应力强度值为5.53MPa。

图7 Path25应力变化

1.2 分析结论和安全评定

通过以上的论述可以看出，管程筒体与管板相连接处的应力强度值主要决定于管程压力；壳程筒体与管板相连接处的应力强度值主要决定于壳程压力。对于管板厚度而言，管程的压力要远大于壳程，且应力主要取决于管程压力。

2 正常工作工况

工况6为换热器的正常稳定工况。它包括受到1.14MPa的管程压力、0.26MPa的壳程压力的机械载荷和温度载荷。此工况下设备的安全性能和应力状态，是用户最关心的。在进行安全评定时，必须将机械载荷和热应力清晰地分开，并针对它们使用各自的安全判据[5]。

2.1 加载与求解

在管束方面的分析中，将梁单元的节点上加入到相应温度值。如图8、图9所示。

2.2 结果分析

由于温度太高导致使膨胀系数各不相同，出现了强热应力，并在厚度方向出现应力分层。

（1）路径path26分析

图8 管板内侧管壳应力强度云图

图9 路径图

Path26路径是由管到壳轴向厚度所截取。在这路径上分析比较，找出机械与温度载荷对管程的不同影响，如图10所示。

图10 Path26应力变化

图11 Path26应力强度比较图

如图10所示，应力的变化较大。最大值出现在靠近壳筒侧的管板上，最大值为248.92MPa。在9mm之内主要受到拉应力影响，且影响力不大，并使应力值达到最小，最小值为25.3MPa，在9mm之外，主要受到拉应力影响，且应力逐渐增长，并在30mm处达到最大。

(2)路径path27分析

沿管程筒体轴线方向，由内而外截取的是路径Path27，在这个区域会出现应力强度的最大值。

图12 Path27应力变化

图13 Path27应力强度比较图

如图12所示，壳程侧管板附近出现最大应力，最大应力值为65.42MPa。最前5mm之内，受到拉应力的作用，变化不大，且能达到最小，应力最小值为18.2MPa，在5mm之外应力逐渐增强。

（3）路径path28分析

沿壳程筒体厚度方向，由内而外截取的是路径Path28，在此区域的应力较大，考察这条路径的目的在于通过比较分析，如图14所示，应力变化不大，整体受到拉应力影响。

图14 应力变化

图15 应力强度比较

3 结论

一般工况下的换热器会受到机械及温度载荷的混合作用，云图显示，在管程侧堆焊层局部区域产生很大的应力强度值，热应力决定了此工况下整个换热器应力的强度、形态及分布，而机械载荷影响着换热器的不同部位，且效果不同：机械载荷在管板厚度上消弱热应力的影响，在两边会出现应力集中，原因是本身载荷及管子支撑共同的作用。管壳压力在管程筒体上也能消弱热应力的影响，堆焊层的最大应力下降；壳程筒体上，机械载荷增强了热应力的作用。

◆参考文献

[1] 杨宏悦. 大型固定管板式换热器管板的有限元分析[D].北京：北京化工大学，2006.

[2] 步琼. 15000m3大型球罐设计与支柱应力分析[D].大庆：东北石油大学，2012.

[3] 罗彩霞，梅瑛，许志珍. 高压容器筒体与封头连接处有限元分析及优化[J].压力容器，2011，28(8)：35-38.

[4] 付路路. 电站锅炉不锈钢管受热面磁性检测技术及应用[J].焦作大学学报，2019，33(3)：85-89.

[5] 郑连纲，吕勇波. 反应堆压力容器强度可靠性分析[J].核动力工程，2012，33(4)：1-4.