魏冬雪，李小梅，徐儒庸，程偉

（中國寰球工程有限公司，北京100012）

換熱器是1種實現(xiàn)熱量傳遞的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金等領(lǐng)域。在換熱器的設(shè)計中，為了留有足夠的蒸發(fā)空間，殼程往往需要設(shè)計成帶偏錐的結(jié)構(gòu)，偏錐結(jié)構(gòu)的存在，就使管板的受力與沒有偏錐結(jié)構(gòu)時的受力出現(xiàn)了差異。GB/T151中固定管板換熱器管板的計算模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，并假設(shè)換熱器2端的管板具有同樣的材料和相同的厚度，且2塊管板具有相同的邊界支承條件。GB/T151標(biāo)準(zhǔn)釋義明確說明，GB/T151中管板的計算模型不適用于殼程帶偏錐的固定管板換熱器［1，2］，主要是由于偏錐結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致殼程各部件的剛度與沒有偏錐結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生了差異。在日常設(shè)計中，設(shè)計人員往往并未充分考慮此種差異。國內(nèi)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)沒有對帶偏錐結(jié)構(gòu)換熱器管板的設(shè)計做出詳細(xì)的規(guī)定［3］，這可能導(dǎo)致管板設(shè)計的不合理、不安全。國內(nèi)學(xué)者針對殼程帶偏錐的換熱器做了一定的研究，但是這些研究的針對性很強，只是針對某些特定尺寸的換熱器，或者重點研究了偏錐結(jié)構(gòu)本身的受力分布特點，并沒有考慮偏錐的存在對固定管板的影響。雖然采用有限元建模分析的方法可以解決這個問題，但日常設(shè)計的換熱器尺寸多樣，應(yīng)力分析費時費力，成本較高，因此很有必要找出一定的規(guī)律來指導(dǎo)日常的工程設(shè)計，既能省時高效，又能安全可靠地設(shè)計殼程帶偏錐的固定管板換熱器［4～6］。

文中采用有限元方法，分析計算了11種不同結(jié)構(gòu)的殼程帶偏錐的固定管板換熱器，對應(yīng)力分布規(guī)律進行了比較和總結(jié)，給今后該類換熱器的設(shè)計提供了有效的參考，并為以后更精確的設(shè)計計算奠定了基礎(chǔ)。

1 殼程帶偏錐的固定管板換熱器整體結(jié)構(gòu)

文中所建立的殼程帶偏錐的固定管板換熱器的模型，以某裝置中的1臺塔頂冷凝器為例，并將模型進行簡化。為了考察小端直徑、大端直徑、小端直邊段長度以及偏錐角度對管板應(yīng)力分布的影響，取小端直徑分別為2 500 mm和3 200 mm，大端直徑為4 500 mm，小端直邊段長度為300 mm和600 mm，偏錐角度30 °、45 °和60 °，對不同結(jié)構(gòu)進行組合，共計算了5組11種工況，見表1。工況表示方法為“小端直徑—大端直徑—小端直邊段長度—偏錐角度”，其中test 3200和test 2500工況為對比工況，用于參照對比，沒有偏錐結(jié)構(gòu)。

表1 工況列表

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

文中應(yīng)用有限元軟件進行數(shù)值分析，采用目前在國際上應(yīng)用極為廣泛的商用有限元計算軟件—ANSYS進行有限元分析。采用殼單元進行建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析［7］。

圖1 test3200工況下應(yīng)力強度分布云圖

為方便計算和觀察，將換熱器結(jié)構(gòu)進行簡化，略去管程結(jié)構(gòu)只保留殼程主體結(jié)構(gòu)。test1、test2和test3工況為帶偏錐的結(jié)構(gòu)，模型包括管板、小端直邊段筒體、偏錐段和大端筒體。test 3200工況和test 2500工況為不帶偏錐的結(jié)構(gòu)，模型包括管板和筒體。所有工況的模型均不考慮換熱管對管板的支撐作用，但考慮開孔對管板的虛削弱作用，采用彈性模量修正的方法對管板進行剛度修正。

2.2 載荷與邊界條件

換熱器設(shè)計溫度為200℃，設(shè)計壓力0.4 MPa，殼體材料為Q345R，管板材料為16MnIII，管板厚度130 mm，小端直邊段筒體、偏錐段、大端筒體的厚度均為20 mm。

在模型的內(nèi)表面（與介質(zhì)接觸的表面）施加內(nèi)壓，右側(cè)筒體端面施加軸向和環(huán)向約束。

3 分析結(jié)果比較

文中研究了5組11種工況，分別按照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［8］，計算得到各個工況下的應(yīng)力強度值，計算結(jié)果的應(yīng)力強度分布云圖見圖1～11。每種工況下，左右2張圖分別給出了殼單元top面（管程側(cè)）和bottom面（殼程側(cè)）的結(jié)果。各工況下的管板應(yīng)力強度值、test1工況和test2工況與test3200工況的對比結(jié)果、test3工況與test2500工況的對比結(jié)果見表2。

圖2 test1 3200-4500-300-30工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖3 test1 3200-4500-300-45工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖4 test1 3200-4500-300-60工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖5 test2 3200-4500-600-30工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖6 test2 3200-4500-600-45工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖7 test2 3200-4500-600-60工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖8 test 2500工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖9 test3 2500-4500-300-30工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖10 test3 2500-4500-300-45工況下應(yīng)力強度分布云圖

圖11 test3 2500-4500-300-60工況下應(yīng)力強度分布云圖

表2 計算結(jié)果匯總與對比

4 結(jié)論

采用有限元法對5組11種工況不同結(jié)構(gòu)尺寸的，殼程帶偏錐的固定管板換熱器進行分析計算，得到結(jié)論：test1組別，test1 3200-4500-300-30工況，管板上的應(yīng)力分布以及應(yīng)力強度水平跟test 3200工況最為接近。偏錐角度越大，管板上應(yīng)力分布越不均勻，且應(yīng)力水平也會小幅增大；test2組別，增加小端筒體長度（由300 mm增至600 mm），發(fā)現(xiàn)管板上的應(yīng)力分布不均勻程度略有加大，應(yīng)力水平也會提高；test3組別，小端筒體直徑減小（由3 200 mm減小到2 500 mm），大端和小端的徑比增大，管板上的應(yīng)力分布不均勻程度加大。

隨著偏錐角度的增大，偏錐對管板應(yīng)力的影響逐漸增大。偏錐角度為30°和45°的情況下，偏錐的存在，對管板上的應(yīng)力分布以及應(yīng)力水平的影響并不大，60°的情況影響稍大。在工程設(shè)計中，在工藝條件允許的情況下，盡量將偏錐角度控制在45°以下。

在設(shè)計殼程帶偏錐的固定管板換熱器時，合理控制大端和小端的徑比，選取合適的偏錐角度以及小端直邊段的長度，可以保證按照GB/T151中管板的計算模型的安全性和可靠性，不必采用有限元應(yīng)力分析方法進行建模分析計算，大大簡化了此類結(jié)構(gòu)換熱器的設(shè)計，提高了設(shè)計效率，有效降低了設(shè)計成本。