固定管板式换热器的温差应力 (最终)
固定管板式换热器的温差热应力数值分析
固定管板式换热器的温差热应力数值分析郭崇志＊ 周 洁(华南理工大学)摘 要 建立由管板、壳体和换热管组成的有限元分析简化模型,利用通过C F D数值模拟得到的各个相应壁面温度数据拟合而成的温度-距离函数关系式,在A N S Y S软件中对固定管板式换热器的换热管、壳体和管板表面加载进行结构热分析,得到了温度分布模型。
还将所得的节点温度作为热载荷加载到结构对应点上计算换热器的整体温差热应力,着重分析管板与管子及壳体连接处附近的热应力分布,并给出了沿管板径向和厚度方向上的热应力变化曲线。
关键词 固定管板式换热器 温差 热应力 数值分析中图分类号 T Q051.5 文献标识码 A 文章编号 0254-6094(2009)01-0041-06 固定管板式换热器中的管束、管板和壳体三大主要构件彼此连接在一起,而换热过程中它们分别与不同温度的流体接触,势必产生温差,从而使得构件间产生不同的热变形量,造成刚性连接的构件间的热变形受到约束,进而产生温差热应力。
目前公开发表的大多数文献集中研究以换热器部分结构建模的温度场及热应力分析,例如管板的温差热应力分析就是一个重点。
而对于在相互约束条件下,换热器的管束、管板和壳体的整体模型结构的整体热应力研究并不多。
文献[1]中把换热器管板视为各向同性的轴对称结构,在材料的弹性范围内,且弹性模量和热膨胀系数保持不变的情况下计算热应力,但是没有给出管板壁温的计算方法。
G a n d n e r[2]分析认为板中只在靠近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度(称为“表皮效应”),因而只在板表面处存在显著的热应力,而其余部分热应力可以忽略,但是实际上管板的温度场要复杂得多。
S i g n等人[3～5]考虑到三维有限元分析的复杂性,对管板进行了各种简化分析。
薛明德和吴强胜[6]试图从管板(包括与其相连的换热管与壳体)的温度场、热应力场分析出发去探讨改善管板设计的途径,提出了一种分析换热器管板温度场的简化方法。
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
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石 油 化 工 设 备 技 术
２０１８ 年
如图２所示.
图 １ 管 板 结 构 示 意
表 ２ 材 料 特 性
部件 管板 壳体 换热管
部件
管板 壳体 换热管
材质 Q３４５R Q３４５R ００Cr１７Ni１４Mo２ 弹 性 模 量/
MPa １．８３×１０５ １．８３×１０５ １．７８×１０５
目前,对换热 器 管 板 结 构 进 行 应 力 分 析 的 研 究已有较多成果.李子林等 应 【６】 用 ANSYS 软 件 对固定管板式换热器在机械载荷和温度载荷共同 作用下的应力强 度 进 行 分 析,并 对 危 险 截 面 进 行 强 度 校 核 ,得 出 应 在 不 同 危 险 工 况 下 ,对 换 热 器 不 同部位进行分析和评定才能保证其安全可靠运行 的结论;杨宏 悦 分 【７】 析 了 不 同 操 作 工 况 下 管 板 模 型的应力场,得出 除 了 筒 体 上 的 一 次 薄 膜 应 力 起 控制作用外,管板 的 强 度 控 制 因 素 是 位 于 管 板 与 筒体连接圆角过 渡 处 的 一 次 应 力 加 二 次 应 力,且 最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用的操作 工况下的结论;季维英 通 【８】 过建立包括壳体、管 束 在内的管板三维 实 体 有 限 元 模 型,将 法 兰 垫 片 用 等 效 的 均 布 比 压 来 代 替 ,分 析 了 管 板 在 包 括 开 工 、 正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和 稳态操作工 况 下 的 强 度 状 况.强 度 分 析 表 明,在 温度载荷及压力 载 荷 共 同 作 用 的 工 况 下,热 应 力 决定了整个管板系统的应力分布.根据分析结果
收 稿 日 期 :２０１８Ｇ０４Ｇ１８. 作者简介:陈一鸣,女,２０１７ 年 毕 业 于 青 岛 科 技 大 学 过 程 装 备与控制工 程 专 业,现 为 该 校 动 力 工 程 专 业 在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 从 事 化 工 机 械 设 备 方 面 的 研 究 工 作 . Email:qdcym０９＠１６３．com. 基金项目:山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (NO．ZR２０１８LE０１５): 错位桨搅拌假塑性流体流场混沌特性及其表征.
固定管板式换热器管板热应力分析及控制措施
化 工 机 械 ２０１９年
固定管板式换热器管板热应力分析及控制措施
于春柳 郑旭东 任金平 张 琪 芦娅妮
（陇 东 学 院 化 学 化 工 学 院 ）
摘 要 介绍了固定管板式换热器管板设计标准，分析了管板热应力产生机理，寻求减 小 管 板 热 应 力 的 有 效 途 径 ，对 指 导 管 板 设 计 、优 化 管 板 结 构 及 改 善 换 热 器 性 能 等 具 有 重 要 的 意 义 。 关键词 固定管板式换热器 管板设计 热应力分析 控制措施 中 图 分 类 号 ＴＱ０５１．５ 文 献 标 识 码 Ｂ 文 章 编 号 ０２５４６０９４（２０１９）０２０２１００３
换热器是化 工 生 产 中 重 要 的 单 元 设 备，通 常 用来加热低温流 体 或 冷 却 高 温 流 体，把 液 体 汽 化 成蒸汽或把蒸 汽 冷 凝 成 液 体 。 ［１，２］ 换 热 器 按 照 结 构 形 式 可 分 为 固 定 管 板 式 换 热 器 、浮 头 式 换 热 器 、 Ｕ形管换热器和填料函式换热器。与其 他形式的 换热器相比较，固 定 管 板 式 换 热 器 具 有 制 造 成 本 低、清洗方 便、坚 固 耐 用 及 适 用 性 强 等 优 点 ， ［２～４］ 被广泛应用 于 化 工、炼 油 等 行 业。 固 定 管 板 式 换 热器由 壳 体、换 热 管、管 板、折 流 板 及 管 箱 等 组 成 。 ［４］ 壳体多 为 圆 筒 形，内 部 装 有 换 热 管，换 热 管 两 端 固 定 在 管 板 上，按 正 三 角 形 或 正 方 形 排 列 ［５］，通常在换热管 上 均 匀 安 装 若 干 数 量 的 折 流 板 ，提 高 换 热 效 率 的 同 时 还 起 到 支 撑 管 束 的 作 用 。 与壳体两端管板 连 接 的 是 管 箱，管 箱 分 为 左 管 箱 和 右 管 箱 ，均 由 圆 筒 、封 头 和 法 兰 组 焊 而 成 。 固 定 管板式换热器常在操作工况极其严苛的情况下运 行，因此换热器管 板 既 要 满 足 压 力 载 荷 作 用 下 的 强度要求，又要满 足 因 壳 体 与 换 热 管 热 膨 胀 差 引 起的热应 力 和 管 板 两 侧 温 度 差 引 起 的 热 应 力 要 求 。 ［６］ 工作过程中 管 板 产 生 的 热 应 力 过 大，会 对 其强度有影响，更 有 甚 者 会 影 响 换 热 器 的 换 热 效 率和工作寿命 。 ［７］ 因 此，笔 者 在 介 绍 管 板 设 计 标 准的基础上分析 热 应 力 产 生 的 机 理，寻 求 控 制 管 板热应力的有效途径。
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定作者：杨翠娟来源：《名城绘》2019年第04期摘要：换热器设备在化工、石油、食品等多种工业生产中应用广泛。
在换热器制造过程中，管板与换热管之间的连接结构和连接质量一定程度上决定了换热器的质量优劣和使用寿命。
由于管板与换热管连接区域结构不连续，从而易产生各种连接质量问题，因此在危险工况下对管板与换热管连接部位进行应力分析和强度校核是十分必要的。
关键词：固定管板式换热器；管板；应力分析；强度评定目前，对换热器管板结构进行应力分析的研究已有较多成果。
应用ANSYS软件对固定管板式换热器在机械载荷和温度载荷共同作用下的应力强度进行分析，并对危险截面进行强度校核，得出应在不同危险工况下，对换热器不同部位进行分析和评定才能保证其安全可靠运行的结论；分析了不同操作工况下管板模型的应力场，得出除了筒体上的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与筒体连接圆角过渡处的一次应力加二次应力，且最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用的操作工况下的结论；通过建立包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型，将法兰垫片用等效的均布比压来代替，分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。
1管板结构的静力分析在反映结构力学特性的前提下，模拟时进行以下简化：1）不考虑管板与换热管焊接热应力影响；2）不考虑管板与壳体的连接焊缝；3）不考虑管板兼做法兰螺栓对其的受力。
选择管板一侧面与所有换热管孔面施加450℃的温度载荷，并在该侧面施加2MPa的压力载荷；在管板另一侧面施加147℃的温度载荷和0.6MPa的压力载荷；沿半径方向，对换热器管板最外边缘施加全约束。
分析应力发现，该工况下管板结构的最大应力为46.9MPa，管板最大应力发生外侧管孔局部区域，其他区域应力值并不大。
采用管板材料为Q345R，450℃板厚为80mm的钢板许用应力为66MPa。
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。
关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析一、概述固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。
在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。
不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。
JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。
分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。
本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。
本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。
图1基本设计参数图2结构简图二、有限元模型建立1.材料参数本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。
S31803材料具体性能如下：温度/K弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/[10-6mm/( mm·K)]导热系数/(W/(m·K)设计应力强度/MPa423 .151900.313.416.1246.73831930.13.1515.5156.2.153343 .15196.40.31314.9258.3303 .152000.312.614.2258.7（二）材料尺寸本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。
波形膨胀节对固定管板式换热器管板应力的影响
壳体在设置了波形膨胀节后 , 由于在轴向温差 应力的作用下 ,膨胀节使筒体产生了一个 δ ex的轴向
( 6)
变形 ,因此 ,壳体实际被拉伸量为 : δ- δ s =
( 7) 式 + ( 8) 式得 :
p ex L +δ ex Es A s
在半径 r 处的管板单位面积上 , 由流体压力和 管子约束力共同作用的轴向分布载荷 Pr 为 : p s ( A - A t) - pt ( A - A t) Pr = - f
A = ( A - A t)
A
( ps - pt) - f
袁强
波形膨胀节对固定管板式换热器管板应力的影响
・4 1 ・
式中 :
Y— — — 管子与壳体的单位长度热膨胀差 Es — — — 壳体材料的弹性模数 As — — — 壳壁厚度为 S s 的壳体金属截面积
根据虎克定律 :
P = Δl Es A s/ l
图3 管子与壳体的拉伸与压缩
Δl = Pl/ Es A s 故
Et na E na Pl QP Δl = t ・ ・ = Al Al Es A s A PQ f = KW + + K Yl A ( 1)
则 令
f =
Et na Et na (Δl + Y l ) W + Al Al Et na K = Al Et na Q = Es A s
由式 ( 3) 可得出以下结论 : 作用在管板单位面积 上的总载荷不仅和管壳程的压力 、 管子与壳体的热 膨胀差 ( Y l ) 有关 ,而且和管板的挠度以及壳体轴向 载荷 P 有关 。 在生产实践中 , 经对上百台换热器使用情况分 析 ,笔者认为 : 温差应力因素对管板影响占主导地 位 。对于同样材料 , 管 、 壳程的压力越大 , 管板就越 厚 。当管 、 壳程的压力较小时 ,压力对管板厚度的影 响相对温差应力的影响小得多 。往往在各强度都保 证的前提下 ,管板在温差应力的作用下需要很厚才 能满足要求 。而在筒体上设置一个或几个膨胀节 , 管板的厚度会明显减薄 , 这主要是由于膨胀节的设 置改善了变形协同关系 。 3 无膨胀节的固定管板式换热器轴向温差应力的 计算 固定管板式换热器的管子与壳体的拉伸与压缩 示意见图 3 。
固定管板换热器非均匀布管结构应力分析
固定管板换热器非均匀布管结构应力分析李小虎;王强【摘要】某项目中固定管板式换热器的管板仅上半部分布管,下部分筒体未布管区有较大开孔,且筒体上设计有膨胀节.采用ANSYS软件对设备整体进行分析计算,对比分析了此类结构有无膨胀节的区别,并对该结构进行改进以满足工艺要求.根据JB/T 4732—1995 (2005年确认) 《钢制压力容器—分析设计标准》对设备进行强度和热应力评定,并为该类型非均匀布管式换热器的设计提供参考.%Only the upper part of the tubesheet of a fixed tubesheet heat exchanger was distributed by tubesheet,the area of the lower part of the cylinder had a larger nozzle,and the expansion joint was designed on the cylinder. The ANSYS software was used for the overall analysis and calculation. The difference between structures with or without expansion joints was compared and analyzed, and the structure was improved to meet the technological requirements. According to JB/T 4732-1995, the strength and thermal stress of the device were evaluated,and it provided a reference for the design of the irregular tubesheet heat exchanger.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2018(039)002【总页数】6页(P23-28)【关键词】换热器;管板;膨胀节;有限元分析【作者】李小虎;王强【作者单位】上海森松压力容器有限公司;中国特种设备检测研究院【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5固定管板式热交换器以其结构简单、适用范围广等优点在石油化工领域扮演着重要角色 [1-2]。
固定管板式换热器(散热器)应力的有限元分析
固定管板式换热器（散热器）应力的有限元分析摘要：应用ANSYS有限元软件，建立了某固定管板式换热器的结构分析模型，对3种操作工况下换热器的应力场进行了计算，并校核了其中的危险工况。
结果表明：受热载荷作用的换热器，最大应力在管板与管箱内壁面的过渡圆角处；“表皮效应”使距壳程侧2 mm处管板上的应力最大；换热器的各部件安全裕度均大于2，常规设计方法过于保守。
关键词：固定管板式换热器；有限元法；应力分析0 引言固定管板式换热器是受力最复杂的管壳式换热器，当管束与壳体的温度及材料的线膨胀系数相差较大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应力，会进一步增大各部件中的应力。
本文采用有限元软件ANSYS分析某化工厂的一台DN500固定管板式换热器，建立带有真实管箱和换热管的有限元模型，并对管板、壳体和换热管的强度等进行应力分析及评定，为今后换热器强度分析和优化设计提供理论依据。
1.有限元模型的建立以换热器轴向为Z轴，垂直于纸面方向为X轴，竖直方向为Y轴建立总体坐标系。
忽略进出口接管的影响，换热器几何结构和承受载荷关于坐标面对称，取1/8模型为研究对象。
为避免边缘效应影响，管箱伸出管板的长度应大于113 mm，本文取管箱长度150 mm。
换热器上各部件的材料属性如表1所示。
为保证耦合分析中节点的一致性，传热分析中选用热单元SOLID70，相应地结构分析时采用实体单元SOL-ID45。
采用APDL语言先建立管板和换热管的横向截面，借用辅助单元Shell57划分网格，沿轴向拖拉成三维模型。
再建立管箱和壳体的轴向截面，绕轴旋转，生成如图1所示的换热器有限元模型。
该模型外径为508 mm，管板厚度为32 mm，壳体与管箱的壁厚为6 mm，换热管尺寸为准25 mm×2 mm。
总单元数为44 420个，总节点数为80 451个。
热分析时在壳程侧管板面、壳体内表面和换热管外表面施加44.7℃的温度载荷，管程侧管板面、管箱内表面和换热管内表面的温度载荷为112.8℃。
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U形膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
不常用
结构简单，制造 方便，但刚性较 大，热补偿能力 较弱，仅适用低
压场合。
平板焊接式膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
适用于直径
大，壳程压 力较高的场
夹壳式膨胀节
合，造价高， 安装复杂。
浮头式换热器 其它类型的换热器 温差应力过大 不适采用固定管板式换热器 膨胀节 U型管式换热器
σ=F/A
应 力
力
面 积
温差应力的产生
壳体 管板
L
温度： T0 装配时
换热管
ΔLs
ΔLt
Ts 壳体壁内：
管壁内： Tt
操作时
<
ΔL F 壳体被拉长 F 管子被压缩
刚性 连接
事实
温差应力
温差轴向力
温差应力的危害 胀接 焊接 轴向力 弯曲变形
温差应力的危害
拉脱
温差应力的危害
泄漏
温差应力的危害
密封性
管板翘曲
温差应力的补偿 方法一
减小管束与壳体之间的膨胀差
使用传热系 数大的流体
设计 热膨胀系数 使用 温度变化
对壳壁保温
温差应力的补偿
方法二
设置弹性补偿元件——膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
U形膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
平板焊接式膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
夹壳式膨胀节
温差应力的补偿
膨胀节
最常用
化工设备
固定管板式换热省石油化工学校
换热器的简介
换热设备是化工生产中实现物料之间热量传递过程的设备。 传热方式
混合式
蓄热式
间壁式
管壳式换热器
固定管板式换热器
主要内容
1 2
温差应力的定义
温差应力的产生
3 4
温差应力的危害
温差应力的补偿
温差应力的定义
管壁 壳壁 温度差 应 力