基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨.doc

基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨杨玉强1，贺小华2，杨建永1（1南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏南京210002；2南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009）摘要：由于双管板换热器管板结构的多样性，其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依。针对某U型管及固定管壳式换热器双管板结构，根据SW6软件相应模块进行管板厚度近似计算，在此基础上采用ANSYS软件对管板结构进行热应力分析和优化设计，进一步讨论了聚液壳结构的影响。分析结果表明，双管板换热器管板厚度采用SW6软件近似计算是安全的，但结果过于保守。有限元优化设计有效地降低了管板厚度，为双管板换热器管板设计提供了有效手段。关键词：双管板换热器；管板厚度；聚液壳；热应力；有限元优化设计中图分类号：TQ0515；O24182文献标识码：A文章编号：10014837（2010）10003006doi：103969/jissn10014837201010006DiscussiononThicknessDesignofTubesheetforDoubleTubesheetHeatExchangerbyANSYSYANGYuqiang1，HEXiaohua2，YANGJianyong1（1NanjingBoilerPressureVesselSupervisionandInspectionInstitute，Nanjing210002，China；2Col-legeofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）Abstract：Duetothediversityofthetubesheetconstructionfordoubletubesheetheatexchangers，thereisnonationaldesignstandardfortubesheetdesignTheapproximatecalculationoftubesheetbasedonSW6softwarewasmadeforUtubeandfixedshellandtubeheatexchangers，andthethermalstressa-nalysisandoptimizationdesignoftubesheetweremadebyANSYSsoftware，furthermore，theeffectoftheliquidgatheringshellwasstudiedTheresultsshowthattheapproximatecalculationofthedesignthick-nessoftubesheetfordoubletubesheetheatexchangersbySW6softwareissafe，buttheresultiscon-servativeOptimizationdesignbasedonfiniteelementanalysishaseffectivelyreducedthedesignthick-nessoftubesheetandprovidedaneffectivemeansforthedesignoftubesheetfordoubletubesheetheatexchangersKeywords：doubletubesheetheatexchanger；thicknessoftubesheet；liquidgatheringshell；thermalstress；finiteelementoptimizationdesign符号说明：L双管板间距，mm f换热管挠度，mm Db排管圆直径，mmt换热管材料的屈服限，Mpa Et换热管材料的弹性模量，MPatt，ss，st换热管端面拉应力、壳程筒体端面拉应力、换热管端面压应力，MPa管板材料许用应力强度，MPaA1，A2管板1和管板2在优化设计中的厚度，mmSMAX1，SMAX2管板1和管板2在优化设计中的应力强度，MPaPs，Pt壳程和管程设计压力，MPaAs，At管板壳程侧和管板管程侧有效受压面积，m2Do，Di壳程筒体外径和内径，mdo，di换热管外径和内径，mNsh，Ntu壳程筒体、管束内力，Nlsh，ltu壳程筒体、管束的轴向变形量，mltsh，lpsh壳程在温度载荷、内压作用下的轴向变形量，mlEJ每一个膨胀节产生的轴向变形量，mR膨胀节的半径，msh，tu壳程筒体、管束材料的热膨胀系数，1tsh，ttu壳程筒体、管束操作温度与制造装配温度的差值，Ash，Atu壳程筒体、管束的横截面积，m2I膨胀节惯性矩，m4E膨胀节材料的弹性模量，MPal壳程筒体的总长度，m0引言双管板换热器是在换热器一端设有一定间距的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换热器。在实际操作中，双管板换热器一般用于以下两种场合1：一种是绝对防止管壳程间介质混串的场合；另一种是管壳程间介质压差很大的场合。目前，双管板换热器的管板厚度设计方法，国内没有标准可依，通常采用近似方法将双管板换热器分解成两部分，然后根据每块管板两侧所接触的介质压力与温度按GB15119992相应模块来进行设计计算，此方法的合理性和安全性值得商榷。国外TEMA19993虽然给出了3种双管板换热器管板设计方法，但与本文结构不符，且没有工程设计软件。文中基于双管板换热器的管板设计现状，运用ANSYS软件对U型管及固定管壳式双管板换热器管板结构进行了热应力分析，并与近似计算方法进行比较，进一步讨论了聚液壳结构对双管板换热器的影响，并对双管板换热器的管板结构进行优化设计，为双管板换热器管板设计方法提供依据。1U型管双管板换热器U型管双管板换热器的设计参数及主要的几何尺寸见表1，2，结构见图1。表1主要几何尺寸mm项目数值换热管外径19换热管壁厚211换热管中心距25壳程筒体内径800壳程筒体壁厚14管程筒体内径800管程筒体壁厚16表2设计参数项目壳程管程设计压力/MPa21/0121/01工作压力/MPa0510497工作温度/32/40130/40设计温度/19/20019/200介质循环水氯硅烷腐蚀余量/mm22主要受压元件材料Q345R00Cr19Ni10图1U型管双管板换热器结构示意11双管板间距的确定由于双管板换热器两块管板的使用温度不同，因此当两块管板的温度从常温升到操作温度的过程中，产生径向位移，引起弯曲应力和剪应力。为避免管板与换热管的连接处产生很大的应力而造成介质泄漏，可以在两块管板之间加上适当间距的聚液壳，让换热管产生挠曲。参照文献4，壳程与管程管板之间间隙长度L的计算方法如下：L=f=Db2（tuttushsh）（2）f=Db2（tuttushsh）（2）12基于SW6软件的U型管双管板换热器管板近似计算目前，国内工程上针对U型管双管板换热器管板厚度的计算，一般采用将其分解为固定管板换热器和U型管换热器两部分，分别采用SW6软件进行计算5。参照文献4，6，两管板间聚液壳壁厚取8mm，本结构取聚液壳长度L=250mm。针对管、壳程压力作用下各种操作工况，采用以上简化模型进行计算，得到两管板的名义厚度为：管板1=87mm，管板2=98mm。由于管壳程温差较大，采用SW6软件计算时，聚液壳上需要设置膨胀节，否则，无论管板厚度如何，计算都无法通过。13基于有限元分析模型的U型管双管板换热器管板计算131有限元分析模型因换热器结构和载荷具有对称性，可沿结构的纵向对称面切开，选取管箱筒体、管箱法兰，2个管板、壳程筒体、壳程法兰和管束的1/2结构作为管板应力分析模型。管箱筒体长度取250mm，壳程筒体长度取200mm，换热管长度取800mm作为管板分析模型。位移边界条件，纵向对称面按对称边界处理，管箱筒体端部约束轴向位移，壳程筒体和换热管端部施加轴向力。132U型管双管板换热器热应力场分析换热器壳程介质温度32，对流系数54398W/（m2），管程介质温度130，对流系数500W/（m2），聚液壳内部温度20，对流系数6W/（m2），结构的对称面上按绝热边界条件处理。通过三维有限元分析，先求出模型的温度场，进一步获得分析结构的热应力场。图2示出在Pt+Ps+T操作工况下的TRESCA应力云图。可以看出，最大TRESCA应力为149834MPa，位于管板2与法兰连接处。133聚液壳长度的影响由式（1）得L=1424mm，进一步分析聚液壳长度变化时，换热器内最大应力的变化规律，以便合理地确定聚液壳长度。由图3可知：聚液壳设膨胀节时，其长度对换热器最大TRESCA应力影响很小。从图2中可以看出，换热器内最大热应力为149834MPa，按GB15019987管板材料00Cr19Ni10在设计温度下的许用应力值=110MPa，根据文献8的评定准则，一次加二次应力强度的许用极限为3=330MPa，显然该结构管板应力强度有较大富裕。现将聚液壳上的膨胀节去掉，变化聚液壳长度，其他参数不变，经有限元计算，最大TRESCA应力均低于260MPa。如图3所示，应力强度仍在许用范围内，管板结构仍为安全。由ANSYS分析可知，聚液壳无膨胀节时，其长度对热应力的影响仍很小。有限元分析结果表明，对于U型管双管板换热器管板，采用SW6近似计算得到的管板厚度，其设计方法安全，但过于保守，为此，文中进一步对该管板进行优化设计。14管板厚度优化管板优化设计的最终目的是在满足刚度和强度要求下，使管板的厚度最小。文中对带膨胀节的U型管双管板换热器管板进行优化，选定2个管板的厚度A1和A2作为优化的设计变量，TRESCA应力强度SMAX1和SMAX2作为优化的约束条件，由于本设备换热器管子管板之间采用胀接，考虑到胀接厚度的要求，选取2个管板的最23CPVT基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨Vol27.No102010 12基于SW6软件的U型管双管板换热器管板近似计算目前，国内工程上针对U型管双管板换热器管板厚度的计算，一般采用将其分解为固定管板换热器和U型管换热器两部分，分别采用SW6软件进行计算5。参照文献4，6，两管板间聚液壳壁厚取8mm，本结构取聚液壳长度L=250mm。针对管、壳程压力作用下各种操作工况，采用以上简化模型进行计算，得到两管板的名义厚度为：管板1=87mm，管板2=98mm。由于管壳程温差较大，采用SW6软件计算时，聚液壳上需要设置膨胀节，否则，无论管板厚度如何，计算都无法通过。13基于有限元分析模型的U型管双管板换热器管板计算131有限元分析模型因换热器结构和载荷具有对称性，可沿结构的纵向对称面切开，选取管箱筒体、管箱法兰，2个管板、壳程筒体、壳程法兰和管束的1/2结构作为管板应力分析模型。管箱筒体长度取250mm，壳程筒体长度取200mm，换热管长度取800mm作为管板分析模型。位移边界条件，纵向对称面按对称边界处理，管箱筒体端部约束轴向位移，壳程筒体和换热管端部施加轴向力。132U型管双管板换热器热应力场分析换热器壳程介质温度32，对流系数54398W/（m2），管程介质温度130，对流系数500W/（m2），聚液壳内部温度20，对流系数6W/（m2），结构的对称面上按绝热边界条件处理。通过三维有限元分析，先求出模型的温度场，进一步获得分析结构的热应力场。图2示出在Pt+Ps+T操作工况下的TRESCA应力云图。可以看出，最大TRESCA应力为149834MPa，位于管板2与法兰连接处。133聚液壳长度的影响由式（1）得L=1424mm，进一步分析聚液壳长度变化时，换热器内最大应力的变化规律，以便合理地确定聚液壳长度。由图3可知：聚液壳设膨胀节时，其长度对换热器最大TRESCA应力影响很小。从图2中可以看出，换热器内最大热应力为149834MPa，按GB15019987管板材料00Cr19Ni10在设计温度下的许用应力值=110MPa，根据文献8的评定准则，一次加二次应力强度的许用极限为3=330MPa，显然该结构管板应力强度有较大富裕。现将聚液壳上的膨胀节去掉，变化聚液壳长度，其他参数不变，经有限元计算，最大TRESCA应力均低于260MPa。如图3所示，应力强度仍在许用范围内，管板结构仍为安全。由ANSYS分析可知，聚液壳无膨胀节时，其长度对热应力的影响仍很小。有限元分析结果表明，对于U型管双管板换热器管板，采用SW6近似计算得到的管板厚度，其设计方法安全，但过于保守，为此，文中进一步对该管板进行优化设计。14管板厚度优化管板优化设计的最终目的是在满足刚度和强度要求下，使管板的厚度最小。文中对带膨胀节的U型管双管板换热器管板进行优化，选定2个管板的厚度A1和A2作为优化的设计变量，TRESCA应力强度SMAX1和SMAX2作为优化的约束条件，由于本设备换热器管子管板之间采用胀接，考虑到胀接厚度的要求，选取2个管板的最23CPVT基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨Vol27.No102010小厚度不小于40mm，即A140mm，A240mm。141优化结果经过7次优化迭代得到的数据见表3，序列7为最后迭代结果，可以看出管板厚度降低很多，优化结果非常显著。优化设计结果，最终2个管板的厚度取41mm。142优化后结构应力强度评定表3优化设计序列迭代次数SET1SET2SET3SET4SET5SET6SET7应力强度SMAX132194333123754246753515405300953389管板厚度A187000798176148845203414704044440187管板质量118007165211272793562858358371183178应力强度SMAX296028969329717692875985921002110064管板厚度A298000891366651746421418144054840230管板质量220284184491376896028865478392783269换热器操作时受到管程压力、壳程压力和温度载荷等3种载荷的作用。参照有关管板设计方法，应考虑温度单独作用、管程压力、壳程压力、管程和壳程压力、管程压力加温差、壳程压力加温差、管壳程压力联合作用加温差7种不同工况进行分析。限于篇幅，现将3种工况下应力强度最大部位的评定结果列于表4，5，评定方法按照文献8的评定准则。表4管板1强度评定计算工况应力评定路径位置组合应力强度最大值计算值/MPa许用极限/MPa结论Pt+Ps+T管板布管区周边一次局部薄膜应力一次加二次应力强度91516148165330通过通过Ps+T管板布管区周边一次局部薄膜应力一次加二次应力强度29497847165330通过通过Pt+T管板布管区周边一次局部薄膜应力一次加二次应力强度11073120165330通过通过表5管板2强度评定计算工况应力评定路径位置组合应力强度最大值计算值/MPa许用极限/MPa结论Pt+Ps+T管板2与法兰连接处一次局部薄膜应力一次加二次应力强度99591640165330通过通过Ps+T管板2与法兰连接处一次局部薄膜应力一次加二次应力强度93281585165330通过通过Pt+T管板2与法兰连接处一次局部薄膜应力一次加二次应力强度40621479165330通过通过2固定管壳式双管板换热器管板厚度设计固定管壳式双管板换热器的设计相关参数及主要的几何尺寸见表6，7，结构见图4。21基于SW6软件的固定管壳式双管板换热器管板近似计算对于固定管壳式双管板换热器管板厚度的近似计算，一般将其等效成2个固定管板换热器，采用SW6软件进行计算。经计算，管板的名义厚度为：管板1=81mm，管板2=60mm，聚液壳的长度L=160mm，壁厚8mm。22基于有限元分析软件的固定管壳式双管板换热器管板计算有限元模型的选取同131节，选取管箱筒体、管箱法兰、2个管板、壳程筒体和管束的1/2作为管板应力分析模型，管箱筒体长度取300mm，壳程筒体长度250mm，换热管长度取800mm作为管板分析模型。固定管壳式双管板换热器由于壳程筒体设有膨胀节，在内压和温度载荷表6主要几何尺寸mm项目数值换热管外径19换热管壁厚277换热管中心距25壳程筒体内径1000壳程筒体壁厚14管程筒体内径1000管程筒体壁厚16表7设计参数项目壳程管程设计压力/MPa21/0121/01工作压力/MPa12451082工作温度/19003/1471287/1302设计温度/19/20019/200介质水蒸气氯硅烷气液混合物腐蚀余量/mm22主要受压元件材料Q345R00Cr19Ni10图4固定管壳式双管板换热器结构示意共同作用下的轴向应力，可由下述方法确定9。在内压和温度作用下，所选分析模型的内力平衡方程为：PsAsPtAt=Nsh+Ntu补充方程为：lsh=ltu其中：lsh=ltsh+lpsh+lEJ=shtshl+NshlEAsh+lEJltu=tuttul+NtulEAtulEJ=3NshR3EI对换热器多种操作工况进行有限元分析，经过优化分析后，管板1的厚度64mm，管板2的厚度45mm。由于篇幅有限，现将3种工况下应力强度最大部位的评定结果列于表8，评定方法按照文献8的评定准则。3基于SW6软件与有限元优化分析的管板厚度对比表8管板强度评定计算工况应力评定部件组合应力强度计算值/MPa许用极限/MPa结论Pt+Ps+T管板1一次局部薄膜应力一次加二次应力强度83242023165330通过通过管板2一次局部薄膜应力一次加二次应力强度84561803165330通过通过Ps+T管板1一次局部薄膜应力一次加二次应力强度75612124165330通过通过管板2一次局部薄膜应力一次加二次应力强度96312046165330通过通过Pt+T管板1一次局部薄膜应力一次加二次应力强度10732338165330通过通过管板2一次局部薄膜应力一次加二次应力强度73551566165330通过通过表9列出了U型管双管板换热器和固定管壳式双管板换热器分别采用SW6软件近似计算及有限元优化分析得到的双管板厚度。可以看出，采用有限元优化分析，双管板厚度降低显著，优化效果明显。表9管板厚度对比设计方法设计厚度/mmSW6软件有限元优化分析U型管双管板换热器管板1管板287984141固定管壳式双管板换热器管板1管板2816064454结论（1）针对U型管及固定管壳式双管板换热器，其管板设计厚度采用SW6软件相应模块进行近似计算是安全的，但结果过于保守；（2）有限元分析表明，聚液壳长度对换热器的热应力影响甚小，其长度一般取150350mm；（3）采用有限元分析软件对双管板换热器的管板相应结构进行热应力分析并进行优化设计，有效地降低了管板厚度，为双管板换热器的管板厚度设计提供依据。参考文献：1刘军双管板换热器和单管板换热器的比较J炼油技术与工程，2004，34（1）：24252GB1511999，管壳式换热器S3TubularExchangerManufacturersAssociation，INCStandardsoftheTubularExchangerManufacturersAs-sociatio1999SNewYork：RichardCByrne，Secretary4涂俊宏，于东兴双管板换热器设计及制造J化工设备与管道，2001，38（2）：34365于顺民运用