基于有限元分析管壳式换热器拉脱力的研究

采用有限元方法对管壳式多管程固定管板换热器在 3 种工况下，不同温度分布的换热管和管板的拉脱力进行了分析计算。结果表明，在多管程换热器的管束中，不同位置的换热管拉脱力存在较大的差别。对照 ASME 规范规定的许用值，工况 3 中所有换热管与管板接头的拉脱力均能满足要求，而工况 1 和工况 2中分别有 56 根和 22 根换热管与管板接头的拉脱力超过了许用值。这些接头在介质的流动中出现振动、腐蚀等情况时，易发生破裂和泄漏。

    关键词：换热器；拉脱力；管单元；有限元计算

    中图分类号：TQ051. 5 文献标识码：A

    1 引 言

    管壳式多管程固定管板换热器在过程工业中被广泛使用，管板和换热管是换热器的主要部件。针对管板的计算和设计，一些国家颁布的技术规范中制定了管壳式换热器的设计标准[1～4]，各国规范标准均对管板的强度计算进行了一定的

简化。但是，由于管板与换热管、圆筒体、管箱、法兰等构成了一个复杂的弹性体系，给结构强度的精确计算带来了一定的困难。N. Merah 对换热器的管板与换热管接头强度和换热管的拉脱力计算进行了研究[5]。换热管的拉脱力主要取决于换热管和筒体间的温度差，管程、壳程的流体压力以及换热管的金属温度。当多管程换热管的温度和压力不同时，拉脱力的计算变得更为复杂。

    在实际生产中，由于操作条件和换热器结构的多样性，不同管程的管束温度不一样，以及换热器在使用过程中因振动、腐蚀等原因而造成的换热管堵管，导致换热管间的温度分布不均匀。不同管间的温差会引起管板与换热管连接接头拉

脱力的变化，部分换热管拉脱力可能会超过标准的要求，导致换热器不能正常运行。

    目前，还缺少因换热器管壁温度分布不均匀而产生不同拉脱力的计算方法。在现有的国家标准中，是以所有换热管的平均值来进行计算的，且无法精确地计算出每一根换热管的实际拉脱力。本文采用有限元方法，根据多管程换热器的实际工况来计算管板与换热管连接处的每一根换热管的拉脱力，从中分析出拉脱力的分布以及最大拉脱力发生的位置，并判断出哪些换热管的拉脱力已超出了许用值。

    2 有限元建模

    以某管壳式多管程固定管板换热器为例，该换热器的主要尺寸如表 1 所示。

                  

    2.1 管板布管区的简化

    在有限元分析时，将管板布管区简化为一当量实心圆平板，在排列管子区域受到规则排列的管孔削弱，可折算为弹性模量 E*、泊松比为ν *的当量板。而周边部分的不布管区仍为弹性模量E ，泊松比ν 的实心板。E*和 ν*的计算参照文献[2]规定的公式：

                  

    计算所得的随温度变化的 E、E* ，ν 和ν‘值见表 2，在有限元计算中用 E*和ν’替代 E、ν 。

                  

    2.2 单元类型及网格划分

    根据管板与换热管的结构，换热管采用管单元，管板采用三维实体单元，管单元与三维实体单元的耦合代表了管板与换热管的连接[6]。由于该换热器有 2 278 根换热管，在管板上须开相应数量的圆孔，在网格划分时必将导致网格和节点数急剧增加。因此，在不影响连接部位的受力和约束效果的前提下，采用一种较为简化的方式来模拟管板与换热管的连接。在排列管子的管板部分，按实际换热管的分布分割出等于管子数的 n个方形面。面的节点划分如图 1 所示，方形面的面积等于实际换热管的横截面面积。由方形面的中心节点沿轴向延伸管单元，再输入相应的管单元实常数外径 d 和管壁厚 δ t，即可生成 2 278 个

管单元，单元模型见图 2。

                    

    2.3 边界条件

    换热管与管板采用固定连接，换热管的管单元与管板的三维实体单元在耦合点(图 1 所示节点 9)应具有相同的转角。管单元为线单元，在一个节点上有 6 个自由度 UX、UY、UZ，ROXY，ROYZ，ROZX，而构成管板的三维实体单元，只有 3 个自由度 Ux、Uy、Uz。为此，在管单元与三维实体单元间建立约束方程如下：

                  

    2.4 载荷分析

    在换热器上同时作用机械载荷和热载荷。管板两侧平面分别承受管程压力(pt=0.177 MPa)和壳程压力(ps=1.864 MPa)，壳体(圆筒体)与圆平板(管板)相连，在圆筒体长度的一半处约束固定，圆筒体内表面施加内压力(ps)，管板法兰螺栓力(Ff=812 800 N)和垫片压紧力(Fd=812 570 N)以均布载荷分别作用在相应的圆环面上。考虑圆筒体和管程温度，沿管板厚度方向线性分布的温度热载荷。在 3 种不同工况下，管程分布不同使得各管程的管壁温度不一样。表 3 中，工况 1 管程上半部的管壁温为 93℃，下半部为 44℃；工况 2管板的上半部分为 4 程，下半部为 34℃；工况 3管板上半部和下半部各分为 4 程，多程的管壁温度分布如表 3 所示。

                       

    因此，在换热管与管板连接部位，不仅考虑了换热管承受了轴向力和弯曲载荷，同时也考虑了换热管的轴向压缩刚度和弯曲刚度对管板所产生的加强作用，该换热器的约束和加载分别如图3、图 4 所示。

    3 有限元计算结果

    在机械载荷和热载荷共同作用下，对该换热器中的 2 278 根换热管与管板接头处拉脱力进行了有限元计算。结果表明，工况 3 中所有换热管与管板接头的拉脱力均小于 ASME 规范规定的许用值。而工况 1 和工况 2 分别有 56 根和 22 根换热管与管板接头处的拉脱力超过了 ASME 规范规定的许用值。工况 1 和工况中超过拉脱力的位置如图 5 和图 6 中的黑色圆点所示，每个黑点表示一根换热管与管板的连接点。这些已超过许用值的连接点发生在管板与圆筒体连接处的局部区域，或在布管区内的最小管桥面积的管板高温表面上的局部区域内。

    换热管与管板连接处最大拉脱力的计算值与许用值的比较见表 4。表中 Lcal 为多管程固定管板式换热器在 3 种工况下最大拉脱力的有限元计算值，(Lmax)ASME 为 ASME 规定的许用值。经计算分析表明，多管程换热器在工作期间，由于流程不同使管程温度分布不同，引起各换热管间温度差异。因此，在不同换热管上产生不同的温差应力，形成各个部位换热管的拉脱力不一样。在评定换热器拉脱力的分布和确定最大拉脱力发生所在位置时，采用有限元方法计算各个位置的换热管与管板连接处的拉脱力是可行的，能准确地判断出拉脱力超过许用值的连接处的位置，并能预测在这些位置易发生失效。

                  

                  

                  

    4 结 论

    本文采用有限元方法对某一管壳式多管程固定管板换热器在 3 种工况下的拉脱力进行了分析计算。得到如下结论：

    (1)采用有限元方法，能较精确地计算出多管程换热器的每一根换热管的拉脱力和应力分布，并能准确地判断出最大拉脱力发生的位置，有效地预测由拉脱力引起的换热管与管板接头处的破裂和泄漏的位置。

    (2)经计算证明，在工况 3 中所有换热管与管板接头的拉脱力均能满足许用值的要求，而在工况 1 和工况 2 中，连接处的拉脱力超过 ASME 规范规定的许用值的分别有 56 根和 22 根接头，这些接头在介质流动导致的振动、腐蚀等共同作用下，易发生开裂和泄漏。
 

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