固定管板式换热器的疲劳分析.pdf

第 50 卷第 5 期2013 年 10 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.50No.5Oct.2013压力容器固定管板式换热器的疲劳分析李霁，陈超，李艳明（中石化上海工程有限公司，上海200120）摘要：利用有限元软件ANSYS11.0对固定管板式换热器主体（包括管板、壳程筒体与换热管及接管）的疲劳分析提出了改进的算法。同时，通过具体算例对改进算法与未改进算法的计算结果进行了对比，证实提出的改进算法计算结果简便可靠，为此类换热器的疲劳设计提供了简便可靠的计算方法。关键词：固定管板式换热器；疲劳分析；有限元中图分类号：TQ 050.2；TH 122文献标识码：A文章编号：1009-3281（2013）05-0008-004鉴于换热器同时具有管程和壳程两种压力介质及结构的复杂性，对于管程及壳程中同时存在温度及压力交变的情况进行疲劳分析是复杂的。对于温度及压力波动条件不满足JB 473295 钢制压力容器分析设计标准1第 3.10 条豁免条件的换热器。需要同时考虑管程侧和壳程侧的温度、压力分布可能出现的各种组合情况，特别是按一般算法计算时显得繁琐与费时。本文提出假设换热器的疲劳损伤是由温差和压力分别作用为前提的改进算法，此方法大大简化了计算过程。1固定管板式换热器的疲劳算法1.1未做改进的方法根据 JB 473295钢制压力容器分析设计标准，固定管板式换热器主体的疲劳计算，需要同时考虑管程侧和壳程侧的温度、压力分布可能出现的各种组合情况，即如果管程侧温度分别为最大 TT-MAX和最小 TT-MIN，管程侧压力分别为最大 PT-MAX和最小 PT-MIN，壳程侧温度分别为最大 TS-MAX和最小 TS-MIN，壳程侧压力分别为最大 PS-MAX和最小PS-MIN，则有如表 1 中的 16 种可能工况，而固定管板式换热器主体的疲劳计算结果则是这 16 种可能工况两两相减所得值中的最大值，即可能工况 1-可能工况 2，可能工况 1-可能工况 3，可能工况 1-可能工况 4总共 136 个差值结果中的最大值为最终的疲劳计算结果。该方法总共需进行 152 次计算。表1可能的工况Table 1 Possible load cases管程壳程温度/压力/MPa温度/压力/MPa可能工况1TT-MAXPT-MAXTS-MAXPS-MAX可能工况2TT-MAXPT-MAXTS-MAXPS-MIN可能工况3TT-MAXPT-MAXTS-MINPS-MAX可能工况4TT-MAXPT-MAXTS-MINPS-MIN可能工况5TT-MAXPT-MINTS-MAXPS-MAX可能工况6TT-MAXPT-MINTS-MAXPS-MIN可能工况7TT-MAXPT-MINTS-MINPS-MAX可能工况8TT-MAXPT-MINTS-MINPS-MIN可能工况9TT-MINPT-MAXTS-MAXPS-MAX可能工况10TT-MINPT-MAXTS-MAXPS-MIN可能工况11TT-MINPT-MAXTS-MINPS-MAX可能工况12TT-MINPT-MAXTS-MINPS-MIN可能工况13TT-MINPT-MINTS-MAXPS-MAX可能工况14TT-MINPT-MINTS-MAXPS-MIN可能工况15TT-MINPT-MINTS-MINPS-MAX可能工况16TT-MINPT-MINTS-MINPS-MIN1.2本文改进的算法本文的改进算法：考虑到换热器的疲劳损伤是由温差和压力波动作用引起的，即主体结构最大应力强度波动幅由温差和压力两部分可能工况的交变作用下产生。具体步骤是先分别计算温差引起的应力强度波动范围和压力引起的应力强度波动范围，然后再收稿日期：2013-07-18作者简介：李霁（1983），男，江西景德镇人，工程师。主要从事压力容器设备设计工作。2013 年 10 月 9 取它们共同作用的结果作为换热器主体结构最后的应力强度波动范围。而在分别计算温度和压力引起的应力强度波动范围时，根据实际情况进一步假设管程侧和壳程侧的温度同时取最大或最小，以使得管板两端管程侧温差和壳程侧温差的差值达到最大2，从而进一步简化计算过程。1.2.1计算由温差引起的应力强度波动范围由温差引起的应力强度波动范围，由表 2 中各可能工况两两相减所得。表2温度工况Table 2 Load cases of temperature管程温度/壳程温度/可能工况1TT-MAXTS-MAX可能工况2TT-MINTS-MIN1.2.2计算由压力引起的应力强度波动范围由压力引起的应力强度波动范围，由表 3 中各可能工况两两相减所得：表3压力工况Table 3 Load cases of pressure管程压力/MPa壳程压力/MPa可能工况1PT-MAXPS-MAX可能工况2PT-MINPS-MIN1.2.3计算由温差和压力共同作用下的应力强度波动范围由温差引起的应力强度波动范围 由压力引起的应力强度波动范围，其中的最大波动范围即为换热器主体结构最后的应力强度波动范围，以此再得到其疲劳计算结果。该方法共计 7 步。2实例分析某项目一固定管板式换热器主体结构模型参数如图 1。材料为 00Cr19Ni10，设计温度为 100，其疲劳条件见表 4。2.1实体模型按上述模型结构参数，建立实体模型及有限元模型。几何模型见图 2，有限元模型见图 3。2.2有限元模型结构分析采用 20 节点 Solid95 单元，热分析采用 Solid70 热分析单元3，对图 2 所示的实体模型进行有限元网格划分后的有限元模型见图 3。该模型共有 129 386 个单元，234 330 个节点。图1主体模型结构Fig.1 The geometric dimensioning of main body表4疲劳条件Table 4 Fatigue condition疲劳设计条件壳程管程压力波动范围/MPa0.3（恒定）0.11.7温度波动范围/Tmin，in=-5Tmax=30Tmax=30Tmin，in=20 图2主体实体模型Fig.2 Solid model of main body图3主体有限元模型Fig.3 The fi nite element model of main body李霁，等.固定管板式换热器的疲劳分析第 50 卷第 5 期 10 化工设备与管道2.3位移边界条件设定筒体下端面各点的周向及轴向位移为 0，径向位移不约束，即在柱坐标系下设定 UY=0，UZ=0，UX不约束，同时在对称面施加对称面位移约束4。2.4力边界条件施加管程计算压力于管板管程侧内表面即 DG直径范围内（包括换热管内表面），施加壳程计算压力于管板壳程侧表面（包括壳程段换热管外表面）。垫片有效密封宽度范围内的平衡压力：式中W预紧时螺栓设计载荷；Pt管程计算压力；DG垫片压紧力作用中心圆直径；b垫片有效密封宽度；Di管程圆筒内径。对螺柱载荷在设备法兰（DN350）上产生的等效压力：螺柱载荷：W=1 566 802.5 N螺栓中心圆直径：Db=514.5 mm螺母与被连接件接触外径：dw=46.5 mm则螺柱载荷在法兰上产生的等效压力：=20.8 MPa2.5疲劳工况2.5.1使用本文改进的方法（1）由温差引起的应力强度波动范围，由表 5可能工况两两相减所得。结果如图 4。表5温度工况Table 5 Load cases of temperature管程温度/壳程温度/303020-5（2）由压力引起的应力强度波动范围，由表 6可能工况两两相减所得。结果如图 5。（3）由温差和压力共同作用下的结果，即由温差引起的应力强度波动范围 由压力引起的应力强度波动范围，取其中最大值作为换热器主体结构最后的应力强度波动范围，主体结构的最大应力强度波动范围如图 6。交变应力强度幅为：91.441 MPa。图4由温差应力引起的应力强度波动范围Fig.4 The wave range of stress under temperature difference表6压力工况Table 6 Load cases of pressure管程压力/MPa壳程压力/MPa1.70.30.10.3图5由压力引起的应力强度波动范围Fig.5 The wave range of stress under pressure图6主体结构的应力强度波动范围Fig.6 The wave range of stress（4）许用循环次数及累积使用系数，由 JB 473295 图 C-3 可得：当交变应力幅 Salt=91.441 MPa时，许用循环次数 N=1011次。因为设计循环次数为 6 000 次，所以累积使用系2013 年 10 月 11 数5为：6 000/1011 0.000 000 61，满足设计要求。2.5.2使用未做改进的方法表7可能的工况Table 7 Possible load cases管程壳程温度/压力/MPa温度/压力/MPa可能工况1301.7300.3可能工况2301.7-50.3可能工况3300.1300.3可能工况4300.1-50.3可能工况5201.7300.3可能工况6201.7-50.3可能工况7200.1300.3可能工况8200.1-50.3通过计算 8 种可能工况两两相减所得值，即可能工况 1-可能工况 2，可能工况 1-可能工况 3，可能工况 1-可能工况 4发现可能工况 2-可能工况7 值最大，且其计算结果与本文改进算法的计算结果吻合。4结论本文采用的改进算法跳出换热器实际操作状态的束缚，将影响换热器疲劳的因素从设备不同的操作状态中给予抽离，单独计算后综合考虑，使得固定管板式换热器的疲劳计算步骤大幅度减小，大大提高了计算速度，降低了计算难度，并且计算结果精确可靠，使固定管板式换热器的疲劳计算工作量得以大幅缩减。参考文献 1 JB 473295，钢制压力容器分析设计标准 S.2 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计 M.北京：化学工业出版社，2001.3 Release 11.0 Documentation for ANSYSZ.4 余伟炜，高炳军.ANSYS 在机械与化工装备中的应用 M.北京：水利水电出版社，2006.5 李建国，薛明德.JB 473295钢制压力容器分析设计标准培训教材 M.北京：全国压力容器标准化技术委员会秘书处，1995.Fatigue Analysis of Fixed Tubesheet Heat ExchangerLI Ji,CHEN Chao,LI Yanming（SINOPEC Shanghai Engineering Co.,Ltd,Shanghai200120,China）Abstract：By using fi nite element analysis software ANSYS,one improved method for fatigue analysis for the main parts,including tubesheet,cylinder in shell side,tubes and nozzles,in fi xed tubesheet heat exchanger was proposed.At the same times,with practical calculations,the results from improved method and unimproved method were compared.It has been proved that the result from improved method is more reliable and this method is also simpler.Thus,this method should be recommended in later fatigue analysis for fi xed tubesheet heat exchangers.Keywords:fi xed tubesheet heat exchangers;fatigue analysis;fi nite element analysis2014年化学工程征订启事化学工程于 1972 年创刊，月刊，国内外公开发行。现由中国国际图书贸易集团有限公司代理对外发行，发行代号：M4814。主管单位：华陆工程科技有限责任公司主办单位：华陆工程科技有限责任公司协办单位：中国石油和化工勘察设计协会化学工程设计专业委员会订阅办法：国内订户请到当地邮局订阅，国外订户请与中国国际图书贸易总公司联系，也可与编辑部联系。每期定价 15 元，全年 180 元。刊号：ISSN 1005-9954CN 61-1136/TQCODEN HUGOEN邮发代号：52-52地址：西安市高新技术产业开发区唐延南路 7 号华陆大厦化学工程编辑部 邮政编码：710065电话：[phone]传真：[phone]E-mail：chem_Http:/；/；/李霁，等.固定管板式换热器的疲劳分析