某型号换热器前法兰应力分析及评定

叶 萌，郑小涛，喻九阳，林 纬，郑 鹏，刘 昊

（武汉工程大学机电工程学院， 湖北 武汉 430205）

某型号换热器前法兰应力分析及评定

叶 萌，郑小涛，喻九阳，林 纬，郑 鹏，刘 昊

（武汉工程大学机电工程学院， 湖北 武汉 430205）

主要针对某型号换热器前法兰的应力进行了分析，利用有限元软件分析了该型号换热器前法兰的温度场以及在热机耦合载荷下的应力场。根据ASME规范和相关判据对前法兰关键部位进行了应力分析及安全评定。计算结果表明，该前法兰最大的应力强度值为209.76 MPa小于安全强度值，故该设计在安全范围之内，符合规范要求，同时为前法兰的工程设计提供了理论基础。

换热器；前法兰；有限元；应力分析；强度评定

换热器广泛应用于能源、石化、制冷空调、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行业领域中并在其中占有相当大的投资比例[1]。随着现代化的生产节奏，高效的生产率符合当今社会的要求，那么这对换热器的设计来说存在资本投入的问题。近年来，许多工程都运用ANSYS有限元软件对结构进行模拟分析，因其能够较准确的反应结构在实际中的受力情况，使得工程设计更加科学合理，节约大量资源。本文运用有限元方法对某型号换热器的前法兰进行了应力分析及评定，以期望能够为工程设计提供更加科学的分析方式。

1 结构模拟

1.1 结构模型及参数

本文主要研究内容是对某型号换热器前法兰所受的应力进行分析，但是在换热器中，前法兰是与壳体连接在一起的，为了能够体现壳体对前法兰的支撑作用，故建模时将壳体与法兰同时建模，进而对其进行整体分析。在ANSYS建立的模型中，考虑到结构的对称性，为节约计算机的资源，使用二分之一建模，同时对整体进行网格划分。本文有限元结构分析采用 SOLID95单元（对应热分析单元为SOLID90），SOLID95是三维八节点实体单元，该单元既能保证精度又能允许使用不规则的形状。具体结构模型和材料物理参数如表1，图1所示。

表1 材料物理参数Table 1 Material physical data

图1 结构网格模型Fig.1 Structure and mesh model

经过网格划分后，利用ANSYS统计出该模型共有单元2 123 538个，3 176 080个节点。利用单元检查，未发现畸形单元。

1.2 载荷施加及边界条件

结构承受的载荷是以下独立载荷的组合：作用于前法兰侧表面（包括前法兰与壳侧气体接触表面）的壳程外界气体压力，作用于前法兰内表面的管程流体压力，作用于前法兰流体压力和壳程气体压力，作用于前法兰和壳体之间的螺栓上所施加的均布拉力，作用于与垫片接触面上所施加的均布垫片压力，以及热械耦合应力所产生的温度载荷（前法兰内侧流体温度与流体温度）。本结构应力分析已经忽略了重力载荷的影响，结构所受载荷如图2所示。

图2 前法兰载荷示意图Fig.2 Front flange load schematic

图2中，F1是螺栓所受的预紧力，F2是垫片提供的支反力，P1是换热器流质的压力，P2是外界气压，T1为换热管内流质温度，T2为壳程气流质温度。

2 应力分析及强度校核

2.1 温度场分析

在正常操作条件下，前法兰的热边界包括稳态对流传热和热传导。在热分析中，利用前文中所说的将 SOLID95单位转换为其相对应的热单元SOLID90，并在ANSYS迭代求解器中进行求解。经过求解计算得到温度分布云图如图3所示。

图3 前法兰温度载荷Fig.3 Front flange temperature load

由图3可知前法兰和壳体内侧，外侧大部分区域温度近似于流质温度，但是在前法兰与壳体连接处也即是焊缝处出现了热应力集中现象。

2.2 压力强度分析

由于结构分析包含热应力分析，因此采用前法兰的结构有限元模型为热结构有限元模型。单元类型设置为为SOLID95单元。施加温度载荷以及机械载荷后，结果如图4，图5所示。

图4 前法兰等值应力强度云图Fig.4 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

图5 前法兰等值应力强度云图Fig.5 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

通过观察热力耦合后的分析结果，我们可以知道当前法兰处于稳定工作状态下时，其最大应力强度值为209.76 MPa，位于前法兰与壳体的连接处。

2.3 应力强度分析

由上文已知前法兰的温度场及应力场，故而能够对所求得的应力强度进行线性化处理[2], 进一步对前法兰进行应力强度校核。本文针对应力强度值比较高的区域进行了路径分析，即在所分析得到结构的不连续位置处选取相对应的2个空间节点，设置成一个路径，将上文所得的数据映射到所选路径当中，再进行线性化处理[3]。路径方向由内至外，回程水室不同路径薄膜应力即薄膜应力加薄膜弯曲应力线性化结果如图6，7所示。

图6 前法兰路径评定示意图Fig.6 Front flange evaluation path schematic

图7 路径1-5中薄膜应力及薄膜应力加薄膜弯曲应力的分布云图Fig.7 Path1-5 distribution of membrane stress and membrane stress adding membrane bend stress

将所标记的5条路径的应力分量进行叠加，得到相应的载荷状态下的应力分量，进一步求出主应力及其强度值，最后进行应力强度评定[4,5]。由表 2可知前法兰应力强度评定合格。

表2 前法兰应力强度评定Table 2 Front flange stress intensity evaluation

3 结 论

本文运用 ANSYS结构计算软件对热力耦合作用下某管壳式换热器的前法兰的应力场进行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[6]规范进行了强度校核。计算结果表明，管壳式换热器前法兰的强度满足安全要求。文中分析较客观地反应了前法兰的受力情况，能够为相类似的换热器原件的设计和校核提供理论依据。

［1］林宗虎.强化传热及工程应用[M].北京机械工业出版社,1985.

［2］栾春远.压力容器ANSYS分析与强度计算[M].北京:科学出版社,2008.

［3］穆晓东,吴玲.ANSYS软件在锅炉管板应力分析中的应用[J].炼油与化工,2010(1):39-41.

［4］郑小涛,程诗,喻九阳.异型管板应力分析及强度校核[J].石油化工设备,2013,42(3):33-36.

［5］王定标,魏新利.压力容器切向开孔接管区的应力分析设计[J].石油机械,2006,34(4):5-7.

［6］ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.ASME锅炉及压力容器规范国际规范Ⅱ材料[M].北京:中国石化出版社,2007.

Stress Analysis and Strength Check of Front Flange in a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng，ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，LIU Hao

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

Stress analysis on a front flange of shell type heat exchanger was carried out, the temperature field of the front flange under the steady state condition and the stress field of the front flange under combination action of temperature load and pressure load were analyzed and calculated by finite element method. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the front flange were carried out. The result shows that the maximum stress intensity value of the front flange is 209 MPa, it is smaller than the secure stress intensity value and meet the requirements of the specification. The article also provides a reliable basis for engineering design and safety assessment of the front flange.

Heat exchanger；Front flange；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）03-0595-03

2014-07-16

叶萌（1990-），男，湖北蕲春人，硕士在读，研究方向：化工过程机械，机械设计制造。E-mail：137592302@qq.com。