一种高效换热器的管板设计

2022-09-11

0 引言

固定管板换热器因其结构简单、紧凑, 在相同的壳体直径内, 排管数最多, 旁路最少;每根换热管都可以进行更换, 且管内清洗方便等优点而得到广泛应用, 在实际项目中, 经常会遇到很多特殊形式的固定管板换热器, 比如当换热管与壳体的金属平均壁温相差较大时会产生过高的温差应力, 需在壳体上设置膨胀节, 但壳程压力受膨胀节强度的限制又不能太高。GB151-1999《管壳式换热器》中关于管板的计算方法仅考虑不布管区较小的情况, 对于管板周边不布管区无量纲宽度 (k>1) 的结构或者是管板中间带有大圆管支撑结构, 导致管板大面积区域没有布管, 因不布管区改变了管板的受力状态, 使得受均布开孔削弱的管板受力不均布, 另外还有很多固定管板换热器管板与筒体采用非等径连接结构, 对管板的计算带来很大的困扰。在某项目中遇到一种高效换热器, 因管壳程压力较高, 温差较大, 换热管采用缠绕式专利结构, 两管板中间有一根外径为180mm的管子支撑, 管板通过椭圆封头与壳程焊接, 结构参数和设计条件详见表1和表2所示, 结构如图1所示, 该管板计算与常规的固定管板换热器有很大的差别, 如果采用GB151-1999《管壳式换热器》中的计算方法会带来很大的误差。针对上述问题, 本文以该高效换热器为例, 采用有限元分析方法, 应用ANSYS有限元软件对该换热器管板进行详细的应力计算, 确保该换热器能够安全可靠的运行。

1 设计和结构载荷参数 (见表1、表2)

2 有限元模型的建立

换热器管板结构及布管如图2所示, 根据换热器和管板的结构和受力状况, 可建立1/4模型, 对管板应力进行精确的有限元分析计算, 模型如图3所示。在换热器管板应力分析计算过程中, 考虑了六种组合工况进行计算, 分别是:1) 只有壳程设计压力, 管程设计压力为零, 不计膨胀变形差。2) 只有壳程设计压力, 管程设计压力为零, 同时计入膨胀变形差。3) 只有管程设计压力, 壳程设计压力为零, 不计膨胀变形差。4) 只有管程设计压力, 壳程设计压力为零, 同时计入膨胀变形差。5) 壳程试验压力工况。6) 管程试验压力工况。其中换热管外压失稳、换热管与管板连接强度计算等应参照GB151-1999《管壳式换热器》中的相关规定。

3 应力分析

通过六种工况的应力分析计算, 由于篇幅有限, 只列出其中一种工况的计算结果, 有限元分析结果如图4所示:根据所有计算结果对该管板分析如下:

图1换热器结构简图1:管箱, 2:封头, 3:筒体

(1) 由于该管板采用凸肩与管箱壳体连接, 管板应采用锻件, 避免局部结构分层缺陷的存在, 凸肩与管板连接处属于总体结构不连续, 应力分析表明, 因压力较高, 导致满足变形协调而产生的局部应力很大, 此处圆角应不小于R15mm。高应力区容易出现表面裂纹, 所以应对该圆角处进行100%表面检测。

(2) 因换热管采用缠绕式专利结构, 在管壳程温差很大时, 换热管膨胀量对管板的作用很小, 可以忽略不计膨胀变形差的影响, 此结构特别适合管程是高压低温的工况, 可以用到设计温度为-196℃, 压力为100MPa的碳钢和不锈钢等材质的场合, 已在空气分离装置中得到广泛应用。

(3) 管板上下表面的温差, 对管板、换热管、壳体、管箱的应力都有影响, 应准确分析计算管板布管区的温度场。特别是管板越厚, 热应力分布产生的温差应力越大。

(4) 局部应力强度评定按JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》中应力分类的评定方法, 一次总体薄膜应力强度SI=Pm≤Sm, 一次局部薄膜应力强度SII=PL≤1.5Sm, 一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII=PL+Pb≤1.5Sm, 一次加二次应力强度SⅣ=PL+Pb+Q≤3Sm。一次弯曲应力不大于1.5倍的设计应力强度, 二次弯曲应力不大于3倍的设计应力强度。其中温差与壳程设计压力、温差与管程设计压力工况应按二次应力考虑。

(5) 由于管板的弯曲变形, 使得管板边缘的换热管弯曲, 从而使换热管轴向压缩刚度下降, 在仅有壳程正压力作用下, 换热管受拉不会失稳, 在仅有管程正压力作用下, 管板变形导致中间区域的换热管处于受压状态, 应校核其稳定性, 所以对于有中间支撑管的换热器, 应考虑其是否会失稳。