换热器封板和管板耦合的强度有限元分析

摘要

管壳式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能工艺设备，它能大量地节约能源，提高能源利用率。它广泛应用于化工、石油、动力、轻工、医药、冶金、造船、航空、制冷、供热等工业部门中。现在，由于工业生产技术越来越现代化，为了满足生产中各种情况特殊的实际要求，工程中经常出现非标管壳式换热器，本文研究的模型也是非标设计，因此不能用普通的设计方法。所以本文应用ANSYS有限元分析方法对封板和管板耦合的应力进行分析，研究换热器封板和管板耦合时的温度场及不同工况下的应力强度，并校核应力是否合格。本文主要从以下几个方面分析了该换热器，主要研究内容和结论如下：
　　 (1)首先根据模型自身的结构特点，简化其螺栓受力的数学模型，只考虑螺栓对螺栓孔的均布力与垫片的比压力。采用ANSYS有限元软件对非标设计的封板和管板耦合的情况建立了合适的有限元模型，取模型的1/4进行分析，通过温度场分析得到了模型的温度场分布规律。
　　 (2)在温度场的作用下，采用间接法对模型进行热应力分析。因为不同材料的热膨胀系数存在差异，所以在它们连接的地方，出现了应力强度值的突变。采用PCG求解器求解热应力模型，找出热应力强度最大值。选取危险截面出现的最大应力点作路径，对路径进行线性化处理，计算相应热应力强度，然后进行强度校核。
　　 (3)换热器同时还受到机械应力作用，所以还要对壳程压力和管程压力作用下的封板和管板进行应力分析，评估机械载荷下受到的应力对封板和管板耦合情况的影响。
　　 (4)由于换热器受力复杂，所以还要对温度载荷、壳程压力、管程压力共同作用下的封板和管板进行应力分析，评估机械载荷和温度载荷共同作用产生的应力对封板和管板耦合情况下的影响，并依据JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》对封管和管板耦合情况下的安全性进行评定。
　　 (5)通过对三种工况的分析，发现换热器的原始设计强度校核不合格的地方为工况二和工况三下的封板倒角处，通过增大开孔倒角对其原始方案进行改进后再校核，达到了强度要求的标准。