全焊接板式换热器应力分析及其评定

摘　要：利用ANSYS软件建立了全焊接板式换热器管侧集合箱的有限元模型,通过有限元分析得到模型的应力大小和分布。并对管侧集合箱进行了应力等效线性化处理,分解得出均布薄膜应力和线性弯曲应力,继而根据有关标准对应力校核线所在的部位进行了应力分类,并给出了应力强度评定结果,为全焊接板式换热器的设计与制造提供参考。
    关键词：全焊接板式换热器　连接板　应力线性化　有限元分析
    中图分类号：TQ051·5　　　文献标识码：A　　　文章编号：0254-6094(2010)02-0176-04
    板式换热器是一种传热效率高、占地面积小、安装使用方便、重量轻、污垢系数低以及结构紧凑的换热设备。但是可拆卸式板式换热器,由于其本身结构的局限性,操作压力不超过2. 5MPa,操作温度不超过250℃,还存在流体与密封垫片的相容性问题[1]。因此,为了提高板式换热器的操作温度和压力,扩大其使用范围,国内外陆续开发、制造了多种焊接式板式换热器,有全焊式和半焊式两大类。这些焊接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程。采用焊接后,板式换热器能承受的压力和温度大大增加,密封性能良好。
    众所周知钢板越薄,传热效果就越好,但是钢板太薄会给加工制造带来很大的困难,尤其是在焊接时。薄板的对接焊缝易烧穿无法成型。在焊接板式换热器当中就存在这样的问题,在焊接板式换热器中由于管侧端板为20mm厚的0Cr18Ni9的钢板,而换热器板片的板厚仅为0. 4~1. 0mm,因此管侧端板母材焊接加热温度达到熔化点时,传热板片已熔化掉了一大片,根本无法进行焊接。如果将传热板片加厚(改为1. 2mm以上),则不存在上述困难,但是为了获得良好的传热效果,一般不改变板厚,而是在管侧端板和板束之间加焊了一层3~4mm、按板束翼端连接处实际形状制造的连接板来解决上述问题[2]。因连接板要与板束、管侧端板等结构焊接,故连接板处的受力分析较复杂。为此,采用ANSYS软件进行分析和结构优化是必要的。
    1·管侧集合箱结构
    现对某板式换热器厂生产的一台全焊接板式换热器进行分析。这台全焊接板式换热器管侧集合箱主要由上下管侧端板、上下连接板和前后管侧端板构成一个矩形截面的容器(图1),其中管侧端板与连接板搭接连接在一起。在管侧集合箱外面焊有加强圈和法兰,起到加强的作用。
                
    对管侧集合箱进行计算时,其计算温度为80. 0℃,计算压力为0. 2MPa,材料的力学特性见表1。
                
    2　全焊接板式换热器管侧集合箱结构分析和力学模型
    根据管侧集合箱的结构特性和工程要求,利用ANSYS软件的前处理程序PREP7,经过单元类型选择、材料参数的确定、几何建模及单元生成等步骤,建立管侧集合箱的有限元分析模型,并对有限元的模型进行网格划分。笔者采用Shell63弹性4节点63单元自底向上的建模方法建立有限元模型,得到结构的变形及受力分析。
    2.1　连接板与管侧端板搭接的力学模型
    根据结构特性和载荷特性,在有限元模型中,取整个管侧集合箱的1/4进行分析。壳体有限元模型如图2所示。
                  
    2.2　约束条件
    由于模型取整体的1/4进行分析,因此在模型对称面上施加对称约束。连接板与板束连接的部位施加固定约束,管侧侧端板也施加固定约束。
    2.3　有限单元选择
    结构采用ANSYS软件中的弹性4节点63单元[3](Shell elastic 4 node 63)。Shell63弹性壳具有弯矩和薄膜特性,可承受与平面同方向及法线方向的荷载;每个节点6个自由度(x,y,z方向和绕x,y,z轴方向);有应力强化和大变形能力,提供用于大变形分析的连续性相切矩阵。设定连接板和端板的弹性模量为190GPa,泊松比为0. 29;设定加强圈和法兰的弹性模量为200GPa,泊松比为0. 28。选择自由网格划分方式,在模型的内表面施加0. 2MPa的压力。
    3·应力评定
    通过图3分析可以看到,全焊接板式换热器管侧集合箱最大应力出现在管侧侧端板处,并且最大应力达到135. 363MPa。在得到应力的分布与大小之后,截取了结构中出现最大应力的两个路径。根据JB4732《钢制压力容器分析设计标准》[4]中关于应力分类的规定,主要的应力类型有一次总体薄膜应力pm,一次局部薄膜应力pL,弯曲应力pb和峰值应力F。对于不同类型的应力强度应给予不同的许用极限加以限制。
                
    3.1　路径1-1强度评定
    路径1-1(图4)为连接板与管侧端板焊接结构中连接板上的一个截面,其线性化处理结果如图5所示。因此根据应力分类的定义,路径1-1处应力类型主要是一次总体薄膜应力pm和二次应力Q。评定结果见表3。
                
               
    3.2　路径4-4强度评定
    路径4-4为管侧端板与连接板焊接结构中在法兰与管侧侧端板连接的部位处沿板厚所取的截面。在路径4-4处由于法兰与管侧侧端板焊接,因此在这个部位存在总体结构不连续和局部结构不连续,总体结构不连续将产生二次应力,而局部结构不连续将产生峰值应力。
    因此根据应力分类的定义,路径4-4处(图6)应力类型主要是一次局部薄膜应力pL、二次应力Q及峰值应力F,线性化处理结果如图7所示,评定结果见表4。
                
                
    4　结论
    4.1　利用ANSYS软件建立了矩形管侧集合箱的管侧端板与连接板焊接结构的有限元模型,通过有限元分析得到应力分布和大小,最大应力达到135. 363MPa。截取结构中出现最大应力的1-1、4-4路径,对应力进行了应力等效线性化处理,分解出了均匀薄膜应力和线性弯曲应力。危险部位出现在管侧侧端板对称面处,即矩形壳体的长边中点处。这与根据板壳理论和材料力学知识进行的静力计算结果一致,说明有限元模型的建立是正确的。可见,利用三维有限元对该管侧集合箱结构进行分析是有效的、可行的。
    4.2　根据JB4732《钢制压力容器分析设计标准》的要求对其进行强度校核。结果表明,强度足够,该结构是安全的,可行的。
    参考文献
    1·杨崇麟.板式换热器工程设计手册.北京:机械工业出版社, 1998
    2·李宗会.超薄板换热器的研制.压力容器, 1998, 15(4): 49~53
    3·倪栋.通用有限元分析ANSYS7. 0实例精解.北京:电子工业出版社, 2003
    4·JB4732-1995.钢制压力容器分析设计标准