全焊接板式換熱器應(yīng)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(cè)集合箱的有限元模型,通過有限元分析得到模型的應(yīng)力大小和分布。并對管側(cè)集合箱進(jìn)行了應(yīng)力等效線性化處理,分解得出均布薄膜應(yīng)力和線性彎曲應(yīng)力,繼而根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)力校核線所在的部位進(jìn)行了應(yīng)力分類,并給出了應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果,為全焊接板式換熱器的設(shè)計(jì)與制造提供參考。
    關(guān)鍵詞：全焊接板式換熱器　連接板　應(yīng)力線性化　有限元分析
    中圖分類號：TQ051·5　　　文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)緊湊的換熱設(shè)備。但是可拆卸式板式換熱器,由于其本身結(jié)構(gòu)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(kuò)大其使用范圍,國內(nèi)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(jīng)越來越多地用于化工、石油、動力、冶金等領(lǐng)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(shí)。薄板的對接焊縫易燒穿無法成型。在焊接板式換熱器當(dāng)中就存在這樣的問題,在焊接板式換熱器中由于管側(cè)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(cè)端板母材焊接加熱溫度達(dá)到熔化點(diǎn)時(shí),傳熱板片已熔化掉了一大片,根本無法進(jìn)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(cè)端板和板束之間加焊了一層3~4mm、按板束翼端連接處實(shí)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(cè)端板等結(jié)構(gòu)焊接,故連接板處的受力分析較復(fù)雜。為此,采用ANSYS軟件進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要的。
    1·管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)
    現(xiàn)對某板式換熱器廠生產(chǎn)的一臺全焊接板式換熱器進(jìn)行分析。這臺全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱主要由上下管側(cè)端板、上下連接板和前后管側(cè)端板構(gòu)成一個(gè)矩形截面的容器(圖1),其中管側(cè)端板與連接板搭接連接在一起。在管側(cè)集合箱外面焊有加強(qiáng)圈和法蘭,起到加強(qiáng)的作用。
                
    對管側(cè)集合箱進(jìn)行計(jì)算時(shí),其計(jì)算溫度為80. 0℃,計(jì)算壓力為0. 2MPa,材料的力學(xué)特性見表1。
                
    2　全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)模型
    根據(jù)管側(cè)集合箱的結(jié)構(gòu)特性和工程要求,利用ANSYS軟件的前處理程序PREP7,經(jīng)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(cè)集合箱的有限元分析模型,并對有限元的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。筆者采用Shell63彈性4節(jié)點(diǎn)63單元自底向上的建模方法建立有限元模型,得到結(jié)構(gòu)的變形及受力分析。
    2.1　連接板與管側(cè)端板搭接的力學(xué)模型
    根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和載荷特性,在有限元模型中,取整個(gè)管側(cè)集合箱的1/4進(jìn)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(jìn)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(cè)側(cè)端板也施加固定約束。
    2.3　有限單元選擇
    結(jié)構(gòu)采用ANSYS軟件中的彈性4節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(x,y,z方向和繞x,y,z軸方向);有應(yīng)力強(qiáng)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(shè)定連接板和端板的彈性模量為190GPa,泊松比為0. 29;設(shè)定加強(qiáng)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(nèi)表面施加0. 2MPa的壓力。
    3·應(yīng)力評定
    通過圖3分析可以看到,全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)側(cè)端板處,并且最大應(yīng)力達(dá)到135. 363MPa。在得到應(yīng)力的分布與大小之后,截取了結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最大應(yīng)力的兩個(gè)路徑。根據(jù)JB4732《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中關(guān)于應(yīng)力分類的規(guī)定,主要的應(yīng)力類型有一次總體薄膜應(yīng)力pm,一次局部薄膜應(yīng)力pL,彎曲應(yīng)力pb和峰值應(yīng)力F。對于不同類型的應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)給予不同的許用極限加以限制。
                
    3.1　路徑1-1強(qiáng)度評定
    路徑1-1(圖4)為連接板與管側(cè)端板焊接結(jié)構(gòu)中連接板上的一個(gè)截面,其線性化處理結(jié)果如圖5所示。因此根據(jù)應(yīng)力分類的定義,路徑1-1處應(yīng)力類型主要是一次總體薄膜應(yīng)力pm和二次應(yīng)力Q。評定結(jié)果見表3。
                
               
    3.2　路徑4-4強(qiáng)度評定
    路徑4-4為管側(cè)端板與連接板焊接結(jié)構(gòu)中在法蘭與管側(cè)側(cè)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(cè)側(cè)端板焊接,因此在這個(gè)部位存在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部結(jié)構(gòu)不連續(xù),總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)將產(chǎn)生二次應(yīng)力,而局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)將產(chǎn)生峰值應(yīng)力。
    因此根據(jù)應(yīng)力分類的定義,路徑4-4處(圖6)應(yīng)力類型主要是一次局部薄膜應(yīng)力pL、二次應(yīng)力Q及峰值應(yīng)力F,線性化處理結(jié)果如圖7所示,評定結(jié)果見表4。
                
                
    4　結(jié)論
    4.1　利用ANSYS軟件建立了矩形管側(cè)集合箱的管側(cè)端板與連接板焊接結(jié)構(gòu)的有限元模型,通過有限元分析得到應(yīng)力分布和大小,最大應(yīng)力達(dá)到135. 363MPa。截取結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最大應(yīng)力的1-1、4-4路徑,對應(yīng)力進(jìn)行了應(yīng)力等效線性化處理,分解出了均勻薄膜應(yīng)力和線性彎曲應(yīng)力。危險(xiǎn)部位出現(xiàn)在管側(cè)側(cè)端板對稱面處,即矩形殼體的長邊中點(diǎn)處。這與根據(jù)板殼理論和材料力學(xué)知識進(jìn)行的靜力計(jì)算結(jié)果一致,說明有限元模型的建立是正確的?？梢?利用三維有限元對該管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明,強(qiáng)度足夠,該結(jié)構(gòu)是安全的,可行的。
    參考文獻(xiàn)
    1·楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊.北京:機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)