壳程偏锥对换热器固定管板设计影响的研究

魏冬雪，李小梅，徐儒庸，程伟

（中国寰球工程有限公司，北京100012）

换热器是1种实现热量传递的设备，广泛应用于化工、炼油、冶金等领域。在换热器的设计中，为了留有足够的蒸发空间，壳程往往需要设计成带偏锥的结构，偏锥结构的存在，就使管板的受力与没有偏锥结构时的受力出现了差异。GB/T151中固定管板换热器管板的计算模型为轴对称结构，并假设换热器2端的管板具有同样的材料和相同的厚度，且2块管板具有相同的边界支承条件。GB/T151标准释义明确说明，GB/T151中管板的计算模型不适用于壳程带偏锥的固定管板换热器［1，2］，主要是由于偏锥结构的存在，导致壳程各部件的刚度与没有偏锥结构时产生了差异。在日常设计中，设计人员往往并未充分考虑此种差异。国内现行的标准没有对带偏锥结构换热器管板的设计做出详细的规定［3］，这可能导致管板设计的不合理、不安全。国内学者针对壳程带偏锥的换热器做了一定的研究，但是这些研究的针对性很强，只是针对某些特定尺寸的换热器，或者重点研究了偏锥结构本身的受力分布特点，并没有考虑偏锥的存在对固定管板的影响。虽然采用有限元建模分析的方法可以解决这个问题，但日常设计的换热器尺寸多样，应力分析费时费力，成本较高，因此很有必要找出一定的规律来指导日常的工程设计，既能省时高效，又能安全可靠地设计壳程带偏锥的固定管板换热器［4～6］。

文中采用有限元方法，分析计算了11种不同结构的壳程带偏锥的固定管板换热器，对应力分布规律进行了比较和总结，给今后该类换热器的设计提供了有效的参考，并为以后更精确的设计计算奠定了基础。

1 壳程带偏锥的固定管板换热器整体结构

文中所建立的壳程带偏锥的固定管板换热器的模型，以某装置中的1台塔顶冷凝器为例，并将模型进行简化。为了考察小端直径、大端直径、小端直边段长度以及偏锥角度对管板应力分布的影响，取小端直径分别为2 500 mm和3 200 mm，大端直径为4 500 mm，小端直边段长度为300 mm和600 mm，偏锥角度30 °、45 °和60 °，对不同结构进行组合，共计算了5组11种工况，见表1。工况表示方法为“小端直径—大端直径—小端直边段长度—偏锥角度”，其中test 3200和test 2500工况为对比工况，用于参照对比，没有偏锥结构。

表1 工况列表

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型的建立

文中应用有限元软件进行数值分析，采用目前在国际上应用极为广泛的商用有限元计算软件—ANSYS进行有限元分析。采用壳单元进行建模、网格划分和应力分析［7］。

图1 test3200工况下应力强度分布云图

为方便计算和观察，将换热器结构进行简化，略去管程结构只保留壳程主体结构。test1、test2和test3工况为带偏锥的结构，模型包括管板、小端直边段筒体、偏锥段和大端筒体。test 3200工况和test 2500工况为不带偏锥的结构，模型包括管板和筒体。所有工况的模型均不考虑换热管对管板的支撑作用，但考虑开孔对管板的虚削弱作用，采用弹性模量修正的方法对管板进行刚度修正。

2.2 载荷与边界条件

换热器设计温度为200℃，设计压力0.4 MPa，壳体材料为Q345R，管板材料为16MnIII，管板厚度130 mm，小端直边段筒体、偏锥段、大端筒体的厚度均为20 mm。

在模型的内表面（与介质接触的表面）施加内压，右侧筒体端面施加轴向和环向约束。

3 分析结果比较

文中研究了5组11种工况，分别按照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》［8］，计算得到各个工况下的应力强度值，计算结果的应力强度分布云图见图1～11。每种工况下，左右2张图分别给出了壳单元top面（管程侧）和bottom面（壳程侧）的结果。各工况下的管板应力强度值、test1工况和test2工况与test3200工况的对比结果、test3工况与test2500工况的对比结果见表2。

图2 test1 3200-4500-300-30工况下应力强度分布云图

图3 test1 3200-4500-300-45工况下应力强度分布云图

图4 test1 3200-4500-300-60工况下应力强度分布云图

图5 test2 3200-4500-600-30工况下应力强度分布云图

图6 test2 3200-4500-600-45工况下应力强度分布云图

图7 test2 3200-4500-600-60工况下应力强度分布云图

图8 test 2500工况下应力强度分布云图

图9 test3 2500-4500-300-30工况下应力强度分布云图

图10 test3 2500-4500-300-45工况下应力强度分布云图

图11 test3 2500-4500-300-60工况下应力强度分布云图

表2 计算结果汇总与对比

4 结论

采用有限元法对5组11种工况不同结构尺寸的，壳程带偏锥的固定管板换热器进行分析计算，得到结论：test1组别，test1 3200-4500-300-30工况，管板上的应力分布以及应力强度水平跟test 3200工况最为接近。偏锥角度越大，管板上应力分布越不均匀，且应力水平也会小幅增大；test2组别，增加小端筒体长度（由300 mm增至600 mm），发现管板上的应力分布不均匀程度略有加大，应力水平也会提高；test3组别，小端筒体直径减小（由3 200 mm减小到2 500 mm），大端和小端的径比增大，管板上的应力分布不均匀程度加大。

随着偏锥角度的增大，偏锥对管板应力的影响逐渐增大。偏锥角度为30°和45°的情况下，偏锥的存在，对管板上的应力分布以及应力水平的影响并不大，60°的情况影响稍大。在工程设计中，在工艺条件允许的情况下，尽量将偏锥角度控制在45°以下。

在设计壳程带偏锥的固定管板换热器时，合理控制大端和小端的径比，选取合适的偏锥角度以及小端直边段的长度，可以保证按照GB/T151中管板的计算模型的安全性和可靠性，不必采用有限元应力分析方法进行建模分析计算，大大简化了此类结构换热器的设计，提高了设计效率，有效降低了设计成本。