全焊接板式換熱器應力分析及其評定

摘　要：利用ANSYS軟件建立了全焊接板式換熱器管側集合箱的有限元模型,通過有限元分析得到模型的應力大小和分布。并對管側集合箱進行了應力等效線性化處理,分解得出均布薄膜應力和線性彎曲應力,繼而根據(jù)有關標準對應力校核線所在的部位進行了應力分類,并給出了應力強度評定結果,為全焊接板式換熱器的設計與制造提供參考。
    關鍵詞：全焊接板式換熱器　連接板　應力線性化　有限元分析
    中圖分類號：TQ051·5　　　文獻標識碼：A　　　文章編號：0254-6094(2010)02-0176-04
    板式換熱器是一種傳熱效率高、占地面積小、安裝使用方便、重量輕、污垢系數(shù)低以及結構緊湊的換熱設備。但是可拆卸式板式換熱器,由于其本身結構的局限性,操作壓力不超過2. 5MPa,操作溫度不超過250℃,還存在流體與密封墊片的相容性問題[1]。因此,為了提高板式換熱器的操作溫度和壓力,擴大其使用范圍,國內外陸續(xù)開發(fā)、制造了多種焊接式板式換熱器,有全焊式和半焊式兩大類。這些焊接板式換熱器已經越來越多地用于化工、石油、動力、冶金等領域的加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收等過程。采用焊接后,板式換熱器能承受的壓力和溫度大大增加,密封性能良好。
    眾所周知鋼板越薄,傳熱效果就越好,但是鋼板太薄會給加工制造帶來很大的困難,尤其是在焊接時。薄板的對接焊縫易燒穿無法成型。在焊接板式換熱器當中就存在這樣的問題,在焊接板式換熱器中由于管側端板為20mm厚的0Cr18Ni9的鋼板,而換熱器板片的板厚僅為0. 4~1. 0mm,因此管側端板母材焊接加熱溫度達到熔化點時,傳熱板片已熔化掉了一大片,根本無法進行焊接。如果將傳熱板片加厚(改為1. 2mm以上),則不存在上述困難,但是為了獲得良好的傳熱效果,一般不改變板厚,而是在管側端板和板束之間加焊了一層3~4mm、按板束翼端連接處實際形狀制造的連接板來解決上述問題[2]。因連接板要與板束、管側端板等結構焊接,故連接板處的受力分析較復雜。為此,采用ANSYS軟件進行分析和結構優(yōu)化是必要的。
    1·管側集合箱結構
    現(xiàn)對某板式換熱器廠生產的一臺全焊接板式換熱器進行分析。這臺全焊接板式換熱器管側集合箱主要由上下管側端板、上下連接板和前后管側端板構成一個矩形截面的容器(圖1),其中管側端板與連接板搭接連接在一起。在管側集合箱外面焊有加強圈和法蘭,起到加強的作用。
                
    對管側集合箱進行計算時,其計算溫度為80. 0℃,計算壓力為0. 2MPa,材料的力學特性見表1。
                
    2　全焊接板式換熱器管側集合箱結構分析和力學模型
    根據(jù)管側集合箱的結構特性和工程要求,利用ANSYS軟件的前處理程序PREP7,經過單元類型選擇、材料參數(shù)的確定、幾何建模及單元生成等步驟,建立管側集合箱的有限元分析模型,并對有限元的模型進行網(wǎng)格劃分。筆者采用Shell63彈性4節(jié)點63單元自底向上的建模方法建立有限元模型,得到結構的變形及受力分析。
    2.1　連接板與管側端板搭接的力學模型
    根據(jù)結構特性和載荷特性,在有限元模型中,取整個管側集合箱的1/4進行分析。殼體有限元模型如圖2所示。
                  
    2.2　約束條件
    由于模型取整體的1/4進行分析,因此在模型對稱面上施加對稱約束。連接板與板束連接的部位施加固定約束,管側側端板也施加固定約束。
    2.3　有限單元選擇
    結構采用ANSYS軟件中的彈性4節(jié)點63單元[3](Shell elastic 4 node 63)。Shell63彈性殼具有彎矩和薄膜特性,可承受與平面同方向及法線方向的荷載;每個節(jié)點6個自由度(x,y,z方向和繞x,y,z軸方向);有應力強化和大變形能力,提供用于大變形分析的連續(xù)性相切矩陣。設定連接板和端板的彈性模量為190GPa,泊松比為0. 29;設定加強圈和法蘭的彈性模量為200GPa,泊松比為0. 28。選擇自由網(wǎng)格劃分方式,在模型的內表面施加0. 2MPa的壓力。
    3·應力評定
    通過圖3分析可以看到,全焊接板式換熱器管側集合箱最大應力出現(xiàn)在管側側端板處,并且最大應力達到135. 363MPa。在得到應力的分布與大小之后,截取了結構中出現(xiàn)最大應力的兩個路徑。根據(jù)JB4732《鋼制壓力容器分析設計標準》[4]中關于應力分類的規(guī)定,主要的應力類型有一次總體薄膜應力pm,一次局部薄膜應力pL,彎曲應力pb和峰值應力F。對于不同類型的應力強度應給予不同的許用極限加以限制。
                
    3.1　路徑1-1強度評定
    路徑1-1(圖4)為連接板與管側端板焊接結構中連接板上的一個截面,其線性化處理結果如圖5所示。因此根據(jù)應力分類的定義,路徑1-1處應力類型主要是一次總體薄膜應力pm和二次應力Q。評定結果見表3。
                
               
    3.2　路徑4-4強度評定
    路徑4-4為管側端板與連接板焊接結構中在法蘭與管側側端板連接的部位處沿板厚所取的截面。在路徑4-4處由于法蘭與管側側端板焊接,因此在這個部位存在總體結構不連續(xù)和局部結構不連續(xù),總體結構不連續(xù)將產生二次應力,而局部結構不連續(xù)將產生峰值應力。
    因此根據(jù)應力分類的定義,路徑4-4處(圖6)應力類型主要是一次局部薄膜應力pL、二次應力Q及峰值應力F,線性化處理結果如圖7所示,評定結果見表4。
                
                
    4　結論
    4.1　利用ANSYS軟件建立了矩形管側集合箱的管側端板與連接板焊接結構的有限元模型,通過有限元分析得到應力分布和大小,最大應力達到135. 363MPa。截取結構中出現(xiàn)最大應力的1-1、4-4路徑,對應力進行了應力等效線性化處理,分解出了均勻薄膜應力和線性彎曲應力。危險部位出現(xiàn)在管側側端板對稱面處,即矩形殼體的長邊中點處。這與根據(jù)板殼理論和材料力學知識進行的靜力計算結果一致,說明有限元模型的建立是正確的。可見,利用三維有限元對該管側集合箱結構進行分析是有效的、可行的。
    4.2　根據(jù)JB4732《鋼制壓力容器分析設計標準》的要求對其進行強度校核。結果表明,強度足夠,該結構是安全的,可行的。
    參考文獻
    1·楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊.北京:機械工業(yè)出版社, 1998
    2·李宗會.超薄板換熱器的研制.壓力容器, 1998, 15(4): 49~53
    3·倪棟.通用有限元分析ANSYS7. 0實例精解.北京:電子工業(yè)出版社, 2003
    4·JB4732-1995.鋼制壓力容器分析設計標準