溶剂回收塔顶-塔底换热器管箱有限元分析

张 刚，曹吉胤*，付 杰，杨 清，杨 侠

1.武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205；

2.武汉鑫鼎泰技术有限公司，湖北 武汉 430223

换热器又被称为热交换器，其工作原理是通过热交换把热流体中的热量传递到冷流体中，以此实现对热流体的冷却降温的设备［1］。其应用在现实生活中十分广泛，在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有极其重要的地位。本文分析的某溶剂回收塔顶-塔底换热器采用的是管壳式换热器中的U 形管换热器［2-4］，研究发现对于这种类型的换热器在其法兰和封头等部件上容易出现损伤破环现象［5-6］，这对设备的正常运作产生了较大影响，严重的可能引起生命财产损失。因此，对某溶剂回收塔顶-塔底换热器后端管箱处进行应力分析十分重要。在阅读了近年来国内外关于换热器应力分析的文章后，运用ANSYS 有限元方法，对某溶剂回收塔顶-塔底换热器后端管箱进行了应力分析［7-8］，并按照相关的设计规范对换热器后端管箱进行应力强度的校核［9-10］，验证其设计合理性和安全性。

1 建立模型及有限元分析

1.1 几何建模

管壳式换热器的内部设计往往比较复杂，内部承受多种形式的工况载荷，其设计也严格执行GB/T 150.1~150.4—2011《压力容器》、GB/T 151—2014《热交换器》、JB 4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》等标准。具体设计数据如表1所示。

表1 换热器设计数据Tab.1 Heat exchanger design data

换热器的各部件材质、许用应力、弹性模量、泊松比按照材料参数均参照GB/T 150.1—2011《压力容器》选取，详细数据如表2 所示。

表2 换热器设计温度下（t=150℃）下材料性能参数Tab.2 Material performance parameters of heat exchanger at design temperature（t=150 ℃）

某溶剂回收塔顶-塔底换热器筒体规格为φ168.3 mm × 7.11 mm，换热器后端封头及法兰局部结构简图如图1 所示。

图1 换热器后端封头及法兰局部结构简图：（a）封头轮廓图，（b）封头尺寸图及剖视图，（c）法兰尺寸图及剖视图（单位：mm）Fig.1 Local structure diagrams of rear end head and partial flange of heat exchanger：（a）contour drawing of head，（b）size drawing and cross-sectional view of head，（c）size drawing and cross-sectional view of flange（Unit：mm）

考虑到某溶剂回收塔顶-塔底换热器后端管箱的几何结构和载荷，分析采用局部模型，包括筒体、平底封头及长圆形法兰以及法兰的连接部位，根据要求建立出换热器后端管箱的三维模型，如图2 所示。

图2 换热器后端管箱实体模型：（a）正剖视图，（b）轴侧剖视图Fig.2 Solid model of rear tube box of heat exchanger（a）orthographic view，（b）axis side cross-sectional view

1.2 模型网格划分

在有限元软件ANSYS18.0 中，采用8 节点实体单元（SOLID185）对实体进行网格划分，厚度方向的网格单元划分如下：筒体划分为4 层，平底封头划分为3 层。对换热器模型进行网格划分，划分的单元数为：124 158，节点数为：60 518。对换热器模型的网格划分结果如图3 所示。

图3 换热器后端管箱网格模型：（a）网格模型的正剖视图，（b）网格模型的轴侧剖视图Fig.3 Mesh models of rear tube box of heat exchanger：（a）front section view of mesh model，（b）axis side section view of mesh model

1.3 边界条件设置与加载

（1）建立接触对

分别建立长圆形法兰Ⅰ与长圆形法兰Ⅱ、及螺母与法兰之间的接触，总计3个接触对，如图4（a）所示。

（2）位移边界条件

直角坐标系下，在结构对称面施加对称约束，筒体端部轴向位移约束，施加约束后有限元模型如图4（b）所示。

（3）力边界条件

承压面施加内压，即设计压力：P1= 1.35 MPa；

螺栓预紧力采用建立螺栓预紧单元的方法施加，螺栓横截面施加螺栓预紧力：F= 1130.4 N。施加载荷后的力学模型如图4（c）所示。

图4 边界条件设置：（a）建立接触对，（b）位移边界条件，（c）载荷（内压+螺栓预紧）Fig.4 Boundary conditions setting：（a）establishing contact pairs，（b）displacement boundary conditions，（c）load（internal pressure+bolt pretightening）

2 有限元计算结果及评定

2.1 有限元结果

有限元应力分析依据TRESCA 等效应力对模型进行评定，通过有限元软件求解后得到了换热器后端管箱以及各部件的TRESCA 应力云图，如图5 所示。

由图5 的应力云图可知，换热器后端管箱的最大等效当量应力值位于平底封头平板中心处，最大当量应力为253.121 MPa。

图5 Tresca 等效应力云图：（a，b）后端管箱，（c）长圆形法兰Ⅱ，（d）长圆形法兰Ⅰ及平底封头，（e）螺栓轴向拉应力，（f）螺栓剪切应力Fig.5 Contour plots of Tresca equivalent stress：（a）and（b）rear tube box，（c）oblong flange II，（d）oblong flange I and flat bottom head，（e）bolt axial tensile stress，（f）bolt shear stress

2.2 应力评定

通过JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》（2005 确定）对换热器后端管箱的有限元分析结果，进行应力强度的评定校核过程如下［11］：

主应力差：

KSm为一次总体薄膜应力极限强度；1.5KSm为一次局部薄膜应力强度极限；3.0Sm为一次加二次应力强度极限。

其中Sm为许用应力强度，K为载荷系数，设计工况下取K=1.0［12-14］。

（1）长圆形法兰Ⅱ

从长圆形法兰Ⅱ的Tresca 应力云图5（c）可知，结构的最大等效当量应力值位于法兰密封面接触区域处，最大等效当量应力为96.164 7 MPa。应力评定路径如图5（c）中所示，路径SCL1 至SCL2 应力线性化结果分析如表3 所示。

表3 各路径评定结果Tab.3 Evaluation results of each path MPa

（2）长圆形法兰Ⅰ及平底封头

由有限元结果中长圆形法兰Ⅰ及平底封头Tresca 应力云图5（d）可知，换热器后端管箱在平底封头平板中心处具有最大的等效当量应力值，最大当量应力为253.121 MPa。应力评定路径如图5（d）中所示，路径SCL3 至SCL7 应力线性化结果分析如表3 所示。

（3）螺柱

对于常用的单线、三角形螺纹的普通高强度螺栓，根据第三强度理论可知螺栓强度条件为［15-16］：

螺栓受剪强度条件为：

从图5 中（e）螺栓的轴向拉应力云图可知，螺栓的最大拉应力值为69.538 8 MPa，从图5（f）中螺栓的剪切应力云图可知，螺栓的最大剪切应力值为75.617 3 MPa。

螺栓连接安全系数ns= 2.5，因此，螺栓强度条件通过。

综上所述，设计工况下，某溶剂回收塔顶-塔底换热器后端管箱结构强度评定通过。

3 结 论

（1）通过有限元分析软件对某溶剂回收塔顶-塔底换热器后端管箱的应力分析可知，该结构的最大应力出现在平底封头平板中心处，最大当量应力值为253.121 MPa，其余位置的应力值均低于此处，因此，该结构平底封头平板中心处更容易发生损伤或者破环，属于危险区域。对此我们应该在满足工况的基础上尽可能增加此处的壁厚，从而提高该结构的强度。

（2）依据JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》对长圆形法兰Ⅱ、长圆形法兰Ⅰ及平底法兰一共设置了7 条路径进行强度评定，结果表明其强度均在允许范围内，满足了设计要求，同时验证了此结构的安全性和合理性。

（3）根据第三强度理论对螺栓进行强度评定，从螺栓拉应力与剪切应力两方面验证了螺栓满足强度要求。