复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析.pdf

第47卷第6期化工设备与管道Vol.47No.6
2010年12月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGDec.2010

·压力容器·
复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力
和疲劳分析

陈超,李艳明

(中国石化集团上海工程有限公司,上海200120)

摘要:以某项目中承受压力及温度双循环载荷的换热器为例,应用有限元分析技术,对管壳式换热器管板在交变
的压力和温度载荷共同作用下进行应力及疲劳分析。根据其应力分布特点,分析交变的压力与温度载荷对管板产
生的影响。《化工设备与管道》
关键词:管壳式换热器;固定管板;有限元;应力分析;疲劳分析

中图分类号:TQ050.3文献标识码:A文章编号:1009-3281(2010)06-0014-05

StressandFatigueAnalysisofTubesheetinTubularHeat
www.tced.comExchangersSubjectedtoComplexLoads
CHENChao,LIYan-ming
(SINOPEC,ShanghaiEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200120,China)

Abstract:Exampledwithaheatexchanger,whichwasusedinengineeringpractice,subjectedtobothpressureandtemperaturecy-
cles,thestressandfatigueanalysesforthisexchangerwerecarriedoutbyusingfiniteelementtechnology.Basedonthedistributionof
thestresses,theinfluenceofcyclicpressureandtemperatureloadsonthetubesheetwasanalyzed.
Keywords:tubularheatexchanger;fixedtubesheet;finiteelement;stressanalysis;fatigueanalysis

管壳式换热器是石油化工工程中应用最广泛的应力和疲劳分析,为今后换热器应力与疲劳分析提
过程设备之一,其中固定管板式换热器是受力最复供参考。
杂的管壳式换热器,当管束与壳体的温度及材料的
1换热器结构尺寸及载荷工况
线膨胀系数相差较大时,承压壳体与管束中将产生
较大的热应力,会进一步增大各部件中的应力。管换热器结构如图1所示。该换热器共有换热管
壳式换热器结构设计的主要依据是GB151《钢制管84根,管板及法兰外径585mm,管板厚度80mm,管
[1]
壳式换热器》,其中,管板的设计是根据弹性基础板及筒体材料00Cr19Ni10,筒体厚度9mm(采用
上的圆板理论,解决了管板在恒定压力和温度载荷356mm×9mm的管子)。其设计基本参数见表1。
下的强度设计。但换热器由于其工作特点,不仅有
2有限元分析模型
管程压力和壳程压力载荷作用,而且还要受到工作
介质的温度载荷作用,有时候压力载荷和温度载荷本文采用有限元分析软件ANSYS11.0。并根
是交变的。GB151及JB4732《钢制压力容器———据换热器的具体结构特点,取换热器轴线方向换热
[2]
分析设计标准》附录I对交变压力和温度载荷作管长度中间截面作为对称面,建模时假定管板与换
用下的管板的应力分析均没有涉及。工程界和学术热管连为一体,并忽略换热管在管程侧的外伸长度,
界采用有限元的方法做了大量的工作,分析了压力建立包括管板、换热管、筒体以及壳程侧接管模型。
[3-7][8-18]
作用下,以及在温度载荷作用下管板的强度温度场分析采用SOLID90单元,结构分析采用SOL-
问题,但在交变温度载荷作用下管板结构的疲劳问
[19]
题,国内却未见报道。收稿日期:2010-06-25
本文采用有限元方法对某装置一台固定管板式作者简介:陈超(1978—),男,浙江省永康市人,工程师。从事化工
换热器在交变压力和温度载荷作用下的管板进行了设备设计工作。
2010年12月陈超,等.复杂载荷作用下管壳式换热器管板的应力和疲劳分析·15·

ID186单元。实体模型及有限元模型如图2所示。

《化工设备与管道》

www.tced.com

图1换热器结构

图2实体模型及有限元模型

表1换热器的设计基本参数
3应力分析
项目壳程管程

筒体直径/mm356(外径)3.1载荷工况
设计压力(G)/MPa0.62.5根据GB151及JB4732,应力分析时需考虑的
工作压力(G)/MPa0.32.2工况有:
设计温度℃
/100100(1)仅壳程设计压力(评定一次应力);
进口-520