門偉

【摘要】本文采用了建出與管板接觸的管箱法蘭，在管箱法蘭端部施加固定約束，并在管箱法蘭與管板法蘭接觸的密封面處設(shè)置接觸的方法進行管板有限元分析。這樣所得結(jié)果與實際貼近，不會因約束管板局部位置而造成不合實際的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且克服了傳統(tǒng)管板計算理論的局限性。計算完成后發(fā)現(xiàn)溫度產(chǎn)生的應(yīng)力很大，于是對管板結(jié)構(gòu)進行了改進優(yōu)化，優(yōu)化后的管板應(yīng)力降低，各路徑的應(yīng)力均滿足JB4732-95的規(guī)定。

【關(guān)鍵詞】管板；有限元；應(yīng)力分析

引言

本文分析的主要對象是某雙管程螺旋纏繞管式換熱器上延長部分兼做法蘭的管板，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了真實的有限元模型，對管板在正常操作工況下進行應(yīng)力強度分析，并根據(jù)所得結(jié)果對管板結(jié)構(gòu)進行了改進，最終經(jīng)評定各路徑的應(yīng)力均滿足B4732-95的規(guī)定。

1、雙管程螺旋纏繞管式換熱器主要參數(shù)

該雙管程螺旋纏繞管式換熱器的外徑為φ273mm，筒體壁厚為6.5mm，換熱器總長度約為1910mm。管板厚度為55mm，管板最大外徑為φ510mm，管板材料為16Mn，其在操作溫度下的應(yīng)力強度Sm=186.6MPa。該換熱器的主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1主要設(shè)計參數(shù)

Tabel 1 main design parameter

2、管板有限元分析

2.1 模型簡化

本文只對管板強度進行校核評定，故只建出管板及與管板連接件的局部模型，簡化后的有限元模型如圖1所示。

圖1 管板有限元分析模型

Fig.1 The FEA model of the tubesheet

2.2 網(wǎng)格劃分

因管板結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故采用四面體網(wǎng)格進行劃分，單元尺寸設(shè)為3mm。

2.3 載荷與約束施加

在ANSYS/Workbench中，先用steady-state thermal 模塊進行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到溫度分布結(jié)果。然后在static structural將求得的溫度作為“載荷”加載到結(jié)構(gòu)上[1]。

（1）邊界條件

本文采用了建出與之接觸的管箱法蘭，在法蘭的端部施加固定約束，并在管箱法蘭與管板法蘭接觸的密封面處設(shè)置接觸，這樣所得結(jié)果與實際貼近，不會因約束造成不合實際的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種方法在一些約束不便施加或?qū)λ治龅木植拷Y(jié)構(gòu)要求較嚴格時可以采用，但其不足之處是計算耗時效率較低，故應(yīng)該注意適當(dāng)簡化模型。施加邊界條件后的模型如圖2所示。

圖2 邊界條件施加示意圖

Fig.2 The diagram of boundary condition

（2）溫度載荷

當(dāng)設(shè)備正常操作時，其管板兩側(cè)分別為管程流體溫度和殼程流體溫度，且管程側(cè)分程隔板兩側(cè)的溫度不同[2]，溫度載荷的施加形式如圖3所示。

圖3 溫度載荷施加示意圖

Fig.3 The diagram of thermal loads

（3）靜力載荷

當(dāng)設(shè)備正常操作時，其管板兩側(cè)分別為管程壓力和殼程壓力，且靠螺栓將管板與法蘭連接在一起，螺栓載荷的大小參照GB150-2011計算[3]，這里的螺栓載荷為784kN，靜力載荷的施加形式如圖4所示。

圖4 靜力載荷施加示意圖

Fig.4 The diagram of structural loads

3、計算結(jié)果討論

3.1 溫度與壓力同時作用時與壓力單獨作用時的結(jié)果對比

圖5為管板在溫度和壓力共同作用下的應(yīng)力云圖，圖6為管板在壓力作用下的應(yīng)力云圖，圖7為通過應(yīng)力強度最大的管孔處且貫穿管板厚度的路徑（稱作Path1）的線性化數(shù)據(jù)曲線圖[4]，由圖可得出以下幾點結(jié)論：

（1）當(dāng)不考慮溫度載荷只考慮靜力載荷時，管板上的最大應(yīng)力為189MPa，而考慮溫度載荷和靜力載荷同時作用時，管板上的最大應(yīng)力達到523.53MPa，可知管板上的溫度應(yīng)力占有較大比重；由圖6中管程高溫側(cè)與低溫側(cè)的云圖差別也可看出，溫度載荷對管板產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)力，在設(shè)計與校核中不應(yīng)忽略。

（2）最大應(yīng)力強度值出現(xiàn)在管程高溫側(cè)的管孔邊緣，因該處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力；另外因為結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在管板密封面的內(nèi)外邊緣、管板與殼體的連接處也出現(xiàn)較大應(yīng)力。

（3）由圖7知Path1的薄膜應(yīng)力約為80MPa，一次加二次應(yīng)力（薄膜加彎曲應(yīng)力）的最大值約為400MPa；雖然應(yīng)力強度值較大，但薄膜應(yīng)力的成分較小，彎曲應(yīng)力所占比重較大，這是由于管板厚度較大造成的，峰值應(yīng)力只在管孔的上邊緣存在較大值。

圖5 管板在溫度和壓力共同作用下的應(yīng)力云圖

Fig.5 The stress intensity of the tubesheet under pressure and temperature

圖6 管板在壓力作用下的應(yīng)力云圖

Fig.6 The stress intensity of the tubesheet under pressure

圖7 Path1線性化數(shù)據(jù)曲線圖

Fig.7 The curve of the linearized stress intensity of path1

3.2 結(jié)構(gòu)改進及改進前后的結(jié)果對比

由3.1的結(jié)論可知，溫度載荷在管板上產(chǎn)生很大的二次應(yīng)力，且在管板與殼體的連接處會因滿足變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。因而考慮在殼體與管板連接的焊縫附近開半圓形環(huán)槽，以釋放管板上的部分應(yīng)力，結(jié)構(gòu)改進如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)改進示意圖

Fig.8 The diagram of structure modify

圖9為結(jié)構(gòu)改進前的管板應(yīng)力云圖，圖10為結(jié)構(gòu)改進后的管板應(yīng)力云圖，可見結(jié)構(gòu)改進后的最大應(yīng)力減小了5.2%。表2為結(jié)構(gòu)改進前后Path1上的線性化數(shù)據(jù)對比，可見彎曲應(yīng)力尤其是峰值應(yīng)力都有所減小，這種結(jié)構(gòu)對管板應(yīng)力有一定的緩解釋放作用。

圖9 結(jié)構(gòu)改進前的管板應(yīng)力云圖

Fig.9 The stress intensity of the tubesheet before modified

圖10 結(jié)構(gòu)改進后的管板應(yīng)力云圖

Fig.10 The stress intensity of the tubesheet after modified

表2 結(jié)構(gòu)改進前后Path1上的線性化數(shù)據(jù)對比

Table.2 The comparison of the linearized stress intensity of the path1

4、結(jié)論

本文采用了建出與管板接觸的管箱法蘭，在管箱法蘭端部施加固定約束，并在管箱法蘭與管板法蘭接觸的密封面處設(shè)置接觸的方法進行管板有限元分析。這樣所得結(jié)果與實際貼近，不會因約束管板局部位置而造成不合實際的應(yīng)力集中現(xiàn)象，克服了傳統(tǒng)管板計算理論的局限性，為后續(xù)管板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等提供了理論依據(jù)。

（1）管板上的溫度應(yīng)力占有較大比重，溫度載荷對管板產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)力，在設(shè)計與校核中要引起重視，更有必要對管板的溫度場進一步作比較精確的分析。

（2）最大應(yīng)力往是發(fā)生在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方，如在管程高溫側(cè)的管孔邊緣、管板密封面的內(nèi)外邊緣、管板與殼體的連接處等。

（3）在殼體與管板連接的焊縫附近開半圓形環(huán)槽，對管板應(yīng)力有一定的緩解釋放作用，在類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計時可考慮開槽釋放部分應(yīng)力。

參考文獻

[1]劉海亮，于洪杰，徐鴻等.高壓給水加熱器厚管板的有限元分析[J].壓力容器.2004，21（11）：19～28.

[2]胡錫文，林興華.管殼式換熱器管板的有限元分析[J].壓力容器.2014，21（10）：26～28.

[3]GB150-2011，鋼制壓力容器[S].全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，1995.

[4]JB4732-95，鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，1995.