一、引言
換熱設備是核電、化工、石油及其他許多工業部門廣泛使用的設備，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適用性，至今仍佔據主導地位。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調。本文采用有限元分析的方法，計算固定管板換熱器在內壓和温度載荷耦合場的作用下，其管板所受的應力，並分別計算了不同厚度的管板所受的應力，以獲得管板厚度與應力的關係。
二、工作條件與結構
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，殼側材料為022Cr19Ni10，管側材料為022Cr17Ni12Mo2。換熱器的設計參數如下:設計壓力:管程pt=0.66MPa，殼程ps=0.5MPa;設計温度:管程進出口温度為20℃～70℃，殼程流體發生相變，進出口温度均為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採用脹焊並用的方法，焊接後進行脹接。在之前的工程中出現過該換熱器由於工廠工藝限制，無法滿足換熱器的管子和管板之間拉脱力的要求，為此工廠不斷提高脹接壓力試圖達到所需的拉脱力。隨着脹接力的增加，殘餘接觸應力的峯值也會增加，使換熱管在脹管區和非脹管區的應力都不斷增加，令管板內的換熱管發生開裂，並且製造廠在提高脹接壓力後發現換熱管的壁厚減薄率超出適用範圍，無法滿足設計需求，最後只能通過增加脹接距離的方法來提高拉脱力，但在非脹管區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。通過經驗反饋，吸取以往的工程經驗，將本換熱器重新進行優化設計，考慮將管板的厚度增加，以滿足拉脱力的要求。理論上增加管板的厚度相當於加強其剛度，是降低應力的一個措施，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熱結構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，對換熱器進行温度場分析，完成熱分析後，再施加結構載荷再通過耦合場分析，獲得管板的應力，分別計算不同厚度的管板其應力的大小來獲得管板厚度與應力的關係，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力狀態，管箱、管板、換熱管和殼體均採用實體單元，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，在殼側只保留一部分的外伸換熱管和殼體，外伸長度，設置材料參數屬性，並對其進行網格劃分，(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，設置換熱器內部流體與換熱器壁面為對流邊界，根據熱工計算結果，分別輸入殼程和管程的對流傳熱係數11432.1W/m2℃與2407.1W/m2℃，對換熱管的外表面、殼程筒體內表面和管板殼側表面施加138.8℃的温度載荷，並對換熱管的內表面、管箱內表面和管板管程表面施加20℃的温度載荷。(三)結構分析模型載荷與邊界條件。在熱分析後進行結構分析，此時在換熱器的殼側和管側施加相應的壓力載荷;壓力載荷施加完成後再將熱分析得到的温度分析結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、計算結果
(一)熱分析結果。為換熱器的温度場分佈雲圖，通過熱分析可清楚看出換熱器在正常工況下各處的温度分佈情況。可見殼體和管側筒體的温度分佈較為均勻，管板與殼側筒體連接區域的温度梯度較大。最大應力發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温度變化劇烈，從高温急劇變化到低温，該區域存在較大的温差，於是受到的應力急劇增大;二是殼體與管板的厚度相差較大，造成了連接處的`不連續性，形成了局部的應力集中;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)結構分析結果。結構分析時，將熱分析的結果導入到結構分析模塊中，温度場分析所得的節點温度作為載荷施加到模型上，同時施加力邊界條件，可見最大應力值發生在管板與管程筒體的連接處，其他較大應力的位置是殼程筒體與管板連接處和管板開孔的位置，這三個位置均為結構不連續位置，因為得到的應力較大。對其進行應力線性化，對應力進行評定，換熱器滿足工作要求，結構安全可靠。(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力，為了獲得不同管板厚度下換熱器的應力分佈，本節分別選擇管板厚度為30mm，45mm和60mm對其進行熱分析與結構分析應力計算，可見當管板的厚度達到一定值後，增加管板的厚度並未降低所受應力，原因在於殼體壁厚較小(4mm)，兩者的剛度相差較大，換熱器結構的變形和應力主要由管板和殼體之間的温度載荷及內壓引起，由於增加了管板的厚度，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，形成局部的應力集中。因此選擇管板厚度45mm是比較合適的。經工廠驗證，在該脹接距離下脹接壓力不超過200MPa就可以達到所需的拉脱力，管子的壁厚減薄率也滿足要求。
五、結語
第一，殼側與管側的温差較大，由於温差的存在會形成較大的温差應力，因為温度載荷對管板會造成較大的熱應力，因此對温差較大的換熱器進行結構熱耦合分析非常必要。第二，在施加了熱載荷和力邊界條件後，發現最危險的區域沒有發生在管板上，而是發生管板與殼體的連接處，因該處結構不連續，容易形成較大的應力。第三，管板厚度的增加並不一定能降低應力，管板的厚度需與殼體的厚度相匹配，以免造成局部的應力集中。採用有限元分析的方法將温度場和結構分析相耦合，通過計算管板在壓力載荷和温度載荷聯合作用下的應力，優化了管板的厚度，使其既滿足了拉脱力的要求又滿足了經濟性要求，為管板強度的設計提供了借鑑。
【參考文獻】
［1］付磊，唐克倫，文華斌，王維慧，付玲．管殼式換熱器流體流動與耦合傳熱的數值模擬［J］．化工進展，2012，31(11):2384～2389
［2］張智，劉江偉，王思文，鄭衞剛．管殼式換熱器的熱力計算和數值仿真［J］．金屬材料與冶金工程，2012，2(1):33～37
［3］楊明，孟曉風，張衞軍．管殼式換熱器的一種優化設計［J］．北京航空航天大學學報，2009，5(35):615～618
［4］張亞新，唐麗，別超．固定管板是換熱器管板熱－力耦合場有限元分析［J］．機械設計與研究，2012，3(28):124～126.
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