复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析

第47卷第6期 2010年12月 化工设备与管道 ．PROCESSEQUIPMENT&PIPING VoL47No．6 Dec．2010 ·压力容器· 复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力 和疲劳分析 陈超， 李艳明 (中国石化集团上海工程有限公司，上海200120) 摘要：以某项目中承受压力及温度双循环载荷的换热器为例，应用有限元分析技术，对管壳式换热器管板在交变 的压力和温度载荷共同作用下进行应力及疲劳分析。根据其应力分布特点，分析芟变的压力与温度裁荷对管板产 生的影响。 关键词：管壳式换热器； 固定管板； 有限元； 应力分析； 疲劳分析 中图分类号：TQ050．3 文献标识码：A 文章编号：1009-3281(2010)06-0014-05 StressandFatigueAnalysisofTubesheetinTubularHeat ExchangersSubjectedtoComplexLoads CHENChao，LIYan-ming (SINOPEC，ShanghaiEngineeringCo．，Ltd．，Shanghai200120，China) Abstract：Exampledwithaheatexchanger，whichwasusedinengineeringpractice，subjectedtobothpressureandtemperaturecy- cles．thestressandfatigueanalysesforthisexchangerwerecarriedoutbyusingfiniteelementtechnology．Basedonthedistributionof thegtrL措se$，theinfluenceofcyclicpressureandtemperatureloadsonthetubesheetwasanalyzed． Keywords：tubularheatexchanger；fixedtubesheet；finiteelement；stressanalysis；fatigueanalysis 管壳式换热器是石油化工工程中应用最广泛的 过程设备之一，其中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。管 壳式换热器结构的主要依据是GB151《钢制管 壳式换热器》¨J，其中，管板的设计是根据弹性基础 上的圆板理论，解决了管板在恒定压力和温度载荷 下的强度设计。但换热器由于其工作特点，不仅有 管程压力和壳程压力载荷作用，而且还要受到工作 介质的温度载荷作用，有时候压力载荷和温度载荷 是交变的。GB151及JB4732(钢制压力容器—— 分析设计》旧1附录I对交变压力和温度载荷作 用下的管板的应力分析均没有涉及。工程界和学术 界采用有限元的方法做了大量的工作，分析了压力 作用下【3引，以及在温度载荷作用下旧删管板的强度 问，但在交变温度载荷作用下管板结构的疲劳问 题，国内却未见报道¨9|。 本文采用有限元方法对某装置一台固定管板式 换热器在交变压力和温度载荷作用下的管板进行了 应力和疲劳分析，为今后换热器应力与疲劳分析提 供参考。 1 换热器结构尺寸及载荷工况 换热器结构如图1所示。该换热器共有换热管 84根，管板及法兰外径585am，管板厚度80mm，管 板及简体材料00Crl9Nil0，筒体厚度9mm(采用 356mm×9mill的管子)。其设计基本参数见表l。 2有限元分析模型 本文采用有限元分析软件ANSYSll．0。并根 据换热器的具体结构特点，取换热器轴线方向换热 管长度中间截面作为对称面，建模时假定管板与换 热管连为一体，并忽略换热管在管程侧的外伸长度， 建立包括管板、换热管、筒体以及壳程侧接管模型。 温度场分析采用SOLID90单元，结构分析采用SOL- 收稿日期：2010-06-25 作者简介：陈超(1978一)，男，浙江省永康市人，工程师。从事化工 设备设计工作。 万方数据 2010年12月 陈超，等．复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析 ·15· 1D186单元。实体模型及有限元模型如图2所示。 表1 换热器的设计基本参数 f壳程出口 f管程出口 图1换热器结构 图2实体模型及有限元模型 项目 壳程 管程 筒体直径／film 设计压力(G)／uPa 工作压力(G)／MPa 设计温度／℃ 进口 工作温度／℃ 出口 压力波动范围(G)／MPa 压力波动次数／次 温度波动范围／℃ 温度波动次数／次 356(外径) 0．6 2。5 0．3 2．2 100 100 —5 20 O 6 0．3(恒定)0．1—1．7 ， 哟000 ‰椭=一5 Tm．h=20 ‰．Ⅲ=O Tm。．Ⅻ=6 ‰m=40 ‰jn=40 ‰Ⅲ=40 ‰，。=40 60ooO 60000 3应力分析 3．1载荷工况 根据GB151及JB4732，应力分析时需考虑的 工况有： (1)仅壳程设计压力(评定一次应力)； (2)仅管程设计压力(评定一次应力)； (3)壳程设计压力+管程设计压力(评定一次 应力)； (4)壳程液压试验压力(评定一次应力K= 1．25)； (5)管程液压试验压力(评定一次应力K= 1．25)： (6)仅壳程操作压力(评定一次+二次应力)； 万方数据 ·16· 化工设备与管道 第47卷第6期 (7)仅管程操作压力(评定～次+二次应力)； (8)壳程操作压力+管程操作压力(评定一次 +二次应力)； (9)壳程操作压力+温差应力(评定一次+二 次应力)； (10)管程操作压力+温差应力(评定一次+ 二次应力)； (11)壳程操作压力+管程操作压力+温差应 力(评定一次+二次应力)。 从计算的角度讲，载荷工况(6)、(7)、(8)可以合并 图3路径10 至(1)、(2)、(3)考虑，对工况(1)、(2)、(3)既评定一次应力 又评定一次+二次应力。因此，本文进行了除(6)、 (7)、(8)以外的其它八种载荷工况作用下的强度计算， 以工况(3)和叫的强度计算和评定结果为例，固定管 板式换热器应力分析和评定的两种结果如下。 3．2应力分析及评定 3．2．1 设计压力(壳程设计压力+管程设计压力) 根据应力计算结果，选择了3个截面进行评定， 路径1、2、3的选取分别如图3、4所示，其评定结果 见表2。 表2各个路径的评定结果 图4路径3 路径3 计算一次应力及～次 局部薄膜应力强度 _sn=76．28MPa<1．5S。。145．5MPa通过 堕查±三壅堕垄 =丛生垄：三姿些生塑鏖 !世：!竺：!竺坠三!：竺!!三!!!竺垒 望堕 3．2．2操作工况(壳程操作压力+管程操作压力 +温差) 根据应力计算结果，选择了3个截面进行评定， 路径l、2、3的选取分别如图5、6所示，其评定结果 见表3。 图5路径1、2 图6路径3 4疲劳分析 该管壳式换热器管程和壳程压力波动与温度波 动如图7所示。设计基本参数eel,力与温度波动的 对应关系不确定，因此，按最不利工况组合分析，换 万方数据 2010年12月 陈超，等．复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析 ·17· 计算一次应力+二次应力 一次应力+二次应力强度 计算一次应力+--0：rg力 一次应力+二次应力强度 计算一次应力+二次应力 路径1 路径2 路径3 SN=103．6MPa<3．0S。‘=291MPa SⅣ=83．52MPa<3．0S。‘=291MPa 一次应力+二次应力强度 SJv=99．13MPa<3．0Sml_291MPa 通过 通过 通过 图7管程和壳程压力波动与温度波动 表4与疲劳计算相关的操作工况 ①o～ ．‰l o．1 ② 0．3 (‰n) 1．7 ③¨进口删删叫 ④ o～ ．． ‘r■’ 1．7 (Li。) 进口：20；出口：6 (‰) 进口：20；出口：6 (k) 进口：40；出口：40 (r一) 进口：40；出口：40 对上述4种状态依次进行计算，然后按①一②、 ①一③、①．④、②一③、②．④、③．④求得循环载荷各工 况间应力强度波动范围。其最大值即为换热器在上 述疲劳条件下可能出现的最危险工况，如图8所示。 图8两两工况间求得的最大应力强度波动范围 从图8中得到应力强度最大波动范围为： 75．577MPa。考虑材料弹性模量后所对应的交变 应力强度幅为： s出=矿E×一S2；黑×半_39．57MPa5出=矿×一=丽×丁=j9·，7MPa 根据JB4732q5查图C-3可得：许用循环次 数N=1011次。 累积使用系数：60000／10¨=0．0000006<1， 满足设计要求。 5结论 (1)建立实体模型取对称面时，考虑到固定管 板式换热器壳程简体及管束在实际操作时因热膨胀 差所产生的变形协调应力在管板、壳程筒体、换热管 中占有较大比例，因此，不能以边缘效应影响长度公 式作为确定模型中固定管板式换热器筒体长度及换 热管长度取值的依据，而应取换热器轴线方向换热 管长度中间截面作为对称面，换热器壳程部分在结 构及压力载荷上对于该面是对称的；对于温度，虽然 换热管及壳程简体在轴线方向上的温度载荷对于该 面不对称，但其影响(换热管与壳程简体的热膨胀 差)是基本对称的；管板在温度载荷上对于上述面 不具有对称性，但取物料进El侧管板(厚度方向上 温差大)代替物料出口侧管板是偏于安全的考虑。 (2)三维有限元分析比较细致地考虑了各部件 邪∞"如”加”m，O巧m p＼世赠 万方数据 ·18· 化工设备与管道 第47卷第6期 (换热管、壳体、垫片压紧力、螺栓力等)对管板的作 用，所以结果能更真实反映在压力载荷和温度载荷 作用下的实际应力状况。 (3)壳程筒体与换热管的热膨胀差会在简体上 产生比较大的轴向应力，此应力对筒体上的接管会 产生实质影响，而且，壳程接管距管板的距离通常较 小，处于边缘应力影响范围内，所以壳程接管应包括 在分析的整体模型中。 (4)建模时假设管板与换热管连为一体，计算 结果中管板与换热管的拉脱应力是不准确的，但每 根换热管所受的轴向力是准确的，通过提取该力，可 以计算评定轴向力最大的换热管与管板的拉脱应力 及其交变应力，并按GB15l及JB4732进行分别 评定。 (5)根据管壳式换热器管程和壳程压力波动与 湿度波动状况，计算了其疲劳寿命，计算结果表明， 其满足设计寿命要求。 (6)计算发现：在本换热器中，温差应力波动在 应力波动中所占比例很大，但是对于强度，因管板与 换热管热膨胀差的方向与机械载荷产生的变形方向 相反，因此，叠加温差应力后，管板与筒体连接处的 应力反而变小，使本换热器在该处的受力状况得到 改善，说明温差应力并不总是增加设备的应力。 [1] [2] [3] [4] 参考文献 [5] [6] [7] [8] [9] [10] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] GB151—1999．钢制管壳式换热器[s]． JB4732—95，钢制压力容器——分析设计标准[s]· [19] 陈水东，吴晓红，修维红。等．多股流缠绕管式换热器管板的 有限元分析[J]．石油化工设备，2009，38(7)：23-27． 刘天丰，陈建良，林兴华．非对称管壳式换热器的三维有限元 结构分析[J]．压力容器，2009，26(8)：27-31． 刘雪东，何云松。巢建伟．废热锅炉换热器管板结构有限元分 析研究[J]．锅炉技术，2004，35(9)：54-57． 曹海兵。江楠．固定管板式换热器管板强度的有限元分析 [J]．化工设备与管道，2009，26(6)：4_7． 陈凤，刘桐生，桑芝富，等．双壳程u型管换热器管子与管板 连接失效分析[J]．石油化工设备，2004，33(4)：ll—13． 贾慧灵，杜鹏飞，何江峰．固定管板式换热器应力的有限元分 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在闭环系统中，试验的泵组输出可达750千瓦。由于试验台的特殊设计，可以试验高流量的卧式和立式离心泵、潜水电泵 和螺杆泵。 冷却系统接有两个水箱，每个水箱的容量为180m3，完全能够满足用水要求。 来自德国、巴西和西班牙的凯士比(KSB)工程师按照德国Frankenthal和Halle试验工厂相同的标准设计和规划现场，西 班牙的厂房属于全球试验工厂网络的一部分，让泵制造厂可以共享全球所有的资料、工艺和数据。 (凯士比中国供稿) 万方数据