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高压固定管板式换热器多层膨胀节有限元分析点击：1784 日期：[ 2014-04-26 21:08:25 ] |
| 高压固定管板式换热器多层膨胀节有限元分析 顾玉钢1,2，周秀芝1，刘孝根1，程沛1 （1.合肥通用机械研究院，安徽合肥230088）（2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽合肥230031） [摘要]以一台高压固定管板式换热器为例，运用ANSYS有限元分析，设计并分析了换热器采用的双层波形膨胀节。考虑了层间摩擦及接触等因素的影响，将计算结果与其同刚度等效的单层波形膨胀节进行了对比分析。参照GB/T12777-2008标准相关规定对主体结构进行强度校核和比较研究，可为固定管板式换热器多层波形膨胀节的设计提供参考。 [关键词]固定管板式换热器；有限元分析；多层波形膨胀节；刚度；接触；应力；分析 固定管板式换热器由于结构的复杂性和使用工况的多样性，常引发多种形式的失效。波形膨胀节作为换热器重要的受压元件及常用的弹性补偿元件，是换热器的薄弱环节，容易发生事故[1]。各国膨胀节设计标准的应力校核公式都是采用建立简化的曲梁、环板模型进行简化计算，并引入相关比例系数对简化公式进行修正，其计算结果的保守性与准确性值得探讨。膨胀节需要承受内压、热膨胀等多种载荷的作用及其他换热部件的影响，常规方法无法全面考虑，在薄弱部位应力分析上仍然存在缺陷。 随着计算机数值计算能力的不断提升以及有限元分析软件的不断完善，数值分析中的有限元法开始应用于波形膨胀节的应力分析和整体分析中，这为使用条件苛刻或形式参数超出标准范围的膨胀节设计提供了有效途径。刘颖、徐鸿等人[2]通过有限元计算和标准计算结果的对比，证明了有限元法进行波形膨胀节设计的可靠性和可行性。陈晔、李永生等人[3]运用有限元软件对单层波纹膨胀节进行了分析，计算结果与试验结果吻合较好。针对固定管板式换热器用多层波形膨胀节的强度校核，多采用与之等刚度的单层波形膨胀节进行简化计算，以避免由于接触的非线性引起的计算难以收敛等一系列问题。 本文采用ANSYS软件的非线性有限元分析技术，以一台高压固定管板式换热器（以下简称换热器）为例，设计并分析了其采用的双层波形膨胀节（以下简称双层膨胀节），考虑了层间摩擦及接触等因素的影响，将应力强度计算结果与其刚度等效的单层波形膨胀节（以下简称单层膨胀节）进行了对比，分析刚度等效所带来的计算结果差异，最后参照GB/T12777-2008标准[4]的相关规定对各主体结构进行确定性强度校核。 1·力学模型及设计参数 换热器的设计参数见表1。为了能够更加真实地模拟设备的实际结构以及换热部件间的耦合关系，利用ANSYS软件建立换热器的1:1整体模型，然后根据对称性选取1/4的结构建立有限元力学分析模型。换热器三维实体模型如图1所示。 双层膨胀节材料及主要几何尺寸见表2，有限元计算模型及网格划分情况如图2所示，采用的单元类型有：SOLID95，TARGE170，CONTA174，共计11601个单元，54355个节点。接触表面行为是面—面接触，选取层间摩擦系数为0.2，层间初始接触刚度为0.1。 为了确保该双层膨胀节有限元模型得到的分析结果精度在工程可接受的范围内，表3给出了网格尺寸应力敏感性分析。 由表3可知：当双层膨胀节有限元模型网格密度加大一倍多，第三强度当量应力σxd3最大值相对误差小于5%，基本网格尺度模型网格划分是合适的，可满足工程精度要求。 值得说明的是：换热器所采用金属材料在不同温度下的材料性能参数，换热器其他部件和单层膨胀节的网格尺寸应力敏感性分析以及换热器的主要结构形式与尺寸等，因篇幅所限，在此不再详述。 2·计算结果及分析 2.1压力引起的应力计算 以换热器“仅受壳程压力Ps作用，管程压力Pt为零”工况为例，图3以彩色等级图的方式给出了双层膨胀节在壳程设计压力（Ps=2.1MPa）作用下的σxd3大小和位置，σxd3最大值出现在波谷两层之间，其值为771.4MPa，属于层间表面接触应力。波形膨胀节结构应力分布不均匀，波峰、波谷及其过渡段σxd3计算值差异较大。 图4给出了与之等刚度的单层波形膨胀节在相同条件下的σxd3大小和位置，σxd3最大值出现波谷外壁，其值为487.0MPa。比较两膨胀节有限元分析计算结果可知：σxd3最大值出现的位置基本一致，均出现在波谷处，但其数值大小相差较大，这主要是因为双层膨胀节考虑了摩擦及接触等因素的影响，层间出现了较大的接触应力，而单层膨胀节无法反映上述因素的影响。 图5给出了壳程压力引起的单、双层膨胀节直边段周向薄膜应力σ1在长度方向上的变化情况。单层膨胀节σ1计算值在长度方向上的变化规律与双层膨胀节保持一致，但σ1计算值超出双层膨胀节40%以上。单、双层膨胀节σ1计算值在长度方向上均出现一定幅度的增大，主要是局部结构不连续引起的局部薄膜应力的增大。 图6给出了压力引起的单、双层膨胀节周向薄膜应力σ2在波谷至波峰的长度方向上的变化情况。单层膨胀节σ2计算值在波峰、波谷处的变化规律与双层膨胀节具有相对的一致性；但在波峰与波谷间的过渡段，两者差异较大。单层膨胀节的σ2最大值较双层膨胀节超出50%以上，二者σ2最大值出现在波峰与波谷间的过渡段。 图7给出了压力引起的单、双层膨胀节子午向薄膜应力σ3+子午向弯曲应力σ4在波谷至波峰的长度方向上的变化情况。单层膨胀节σ3+σ4计算值在长度方向上的变化规律与双层膨胀节保持一致，但σ3+σ4最大值较双层膨胀节超出30%以上，二者σ3+σ4最大值出现在波谷处。 由上文分析可知：单层膨胀节在保证与双层膨胀节刚度一致的情况下，强度已经“失真”。所以现行的用等效刚度的单层膨胀节代替多层膨胀节进行换热器部件的强度校核计算，也许可以保证换热管、管板等除膨胀节以外部件的计算结果的准确性，但用其计算结果进行膨胀节强度校核是不准确的。 2.2位移引起的应力计算 该双层膨胀节冷、热态设计位移量为15mm，即δ拉=-δ压=15mm。计算位移引起的应力主要是为了用于评定该膨胀节的疲劳寿命。 图8给出单、双膨胀节拉伸位移δ拉引起的子午向薄膜应力σ5+子午向弯曲应力σ6在波谷至波峰的长度方向上的变化情况。单层膨胀节σ5+σ6计算值在长度方向上的变化规律与双层膨胀节保持一致，但σ5+σ6最大值较双层膨胀节超出30%以上，二者σ5+σ6最大值出现在波谷处。在拉伸位移作用下，单层膨胀节波峰、波谷处σ5+σ6计算值略有差别。 图9给出单、双膨胀节压缩位移δ压引起的σ5+σ6在波谷至波峰的长度方向上的变化情况。单层膨胀节σ5+σ6计算值在长度方向上的变化规律与双层膨胀节保持一致，但σ5+σ6最大值较双层膨胀节超出30%以上，二者σ5+σ6最大值仍出现在波谷处。 单、双膨胀节在相同拉伸和压缩位移条件下，σ5+σ6计算值变化规律基本一致。单层膨胀节在相同拉伸和压缩位移条件下，σ5+σ6计算值基本相同。双层膨胀节在相同拉伸和压缩位移条件下，波峰、波谷位置的σ5+σ6计算值略有不同，在压缩位移下σ5+σ6最大值略大。 3·应力强度及疲劳寿命校核 参照文献[4]相关规定，压力引起的波形膨胀节直边段周向薄膜应力： 因在换热器设计中有必要评价所有预期的载荷条件，以保证所有最危险的载荷组合已经被考虑，所以参照文献[4]相关规定，单、双层膨胀节计算模型的应力强度校核见表4所示。除包含了上文的计算工况外，又包含了另外二种可能的危险载荷组合工况，即： （1）工况一：仅有壳程压力Ps作用，管程压力Pt为零； （2）工况二：壳程压力Ps和管程压力Pt同时作用； （3）工况三：仅有壳程压力Ps作用，管程压力Pt为零，加上热膨胀差。 由表4可知： （1）在工况一时，单层膨胀节σ1和σ2最大值超出双层膨胀节50%以上，双层膨胀节σ1和σ2最大值略小于相对应的文献[4]的常规设计计算值。单层膨胀节σ3+σ4最大值超出双层膨胀节30%以上，单层膨胀节σ3+σ4最大值略大于相对应的文献[4]的常规设计计算值。 （2）在工况二时，单层膨胀节σ1和σ2最大值超出双层膨胀节50%以上，σ3+σ4最大值则超出30%以上。因为该工况中管程压力的影响，导致上述各应力计算值均小于工况一。 （3）在工况三时，因该工况考虑了热膨胀差的影响，仅对σ3+σ4最大值进行评定。单层膨胀节σ3+σ4最大值仍超出双层膨胀节30%以上。针对膨胀节而言，该工况危险性高于工况一和工况二。 因在换热器设计中需考虑所有最危险的载荷组合工况，包括但不限于表4所列的三种工况，所以文献[4]以及其他膨胀节常规设计标准仅从设计压力、温度等方面考虑确定压力引起的应力值并用其进行强度校核是不全面的。 另外，用等刚度的单层膨胀节代替多层膨胀节进行强度计算分析，所得的膨胀节各应力计算值偏大，若用其进行膨胀节应力强度校核可视为一种快捷的且偏保守的方法，但缺乏经济性，建议进行对比修正。 表5给出了在压缩位移(δ压=-15mm)和壳程设计压力(Ps=2.1MPa)同时作用下，膨胀节计算模型的疲劳寿命校核结果。该设备许用疲劳寿命为2900周次。 由表5可知，在膨胀节进行疲劳寿命校核时，用多层膨胀节模型应力强度分析结果所得到的设计疲劳寿命远高于与之刚度等效的单层膨胀节和文献[4]。单层膨胀节得到的结果虽然和文献[4]相当，但也略高于文献[4]。建议采用有限元法进行膨胀节疲劳寿命校核时，适当提高安全系数nf值。 4·结论 （1）换热器设计中需考虑所有最危险的载荷组合工况，膨胀节常规设计方法未全面考虑，具有局限性。 （2）固定管板式换热器膨胀节的应力分析和整体分析应用有限元法，充分考虑了换热元件之间的耦合作用，全面展示了膨胀节应力分布情况，为使用条件苛刻或形式参数超出标准范围的膨胀节的设计提供了有效途径。 （3）单层波形膨胀节和多层波形膨胀节等效的原则是刚度等效和强度等效，但是刚度等效和强度等效很难同时保证。 （4）用刚度等效的单层波形膨胀节来模拟多层膨胀节，对换热器其他部件的应力影响不大，但就单层波形膨胀节自身而言，应力强度计算值比实际值偏高，过于保守，建议进行对比修正。 （5）采用有限元法进行多层膨胀节疲劳寿命校核时，建议适当提高安全系数值。 （6）本文介绍的固定管板式换热器多层膨胀节的设计方法，其多数评定准则与GB/T12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》标准中方法相同，但所有用于校核的数据均来自于结构三维有限元分析，结果更精确可靠，可满足工程设计要求，供工程设计时参考使用。 ◆参考文献 [1]李晓红，樊玉光，吕进.立式带膨胀节换热器轴向膨胀计算[J].化工设备与管道，2009，46(4)：26-29. [2]刘颖，徐鸿，高海涛等.有限元法在膨胀节计算中的应用[J].压力容器，2001，18(2)：30-33. [3]陈晔，李永生，顾伯勤等.用ANSYS软件对U形波纹管的有限元分析[J].压力容器，2007，17(3)：34-36. [4]GB/T12777-2008，金属波纹管膨胀节通用技术条件[S]. |
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