预应力固定管板换热器预变形与应力特性的数值分析

来源：发布时间：2014-07-31 12:24:21点击率：

　　为了实施预应力换热器技术，对预变形下固定管板式换热器中变形相互约束的构件之间所产生的温差应力与变形分布特性进行了数值研究。借鉴“分段建模，整体综合”的换热器流体力学与传热的数值模拟新方法，利用CFD得到换热器温度场并作为ANSYS结构分析边界条件，采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，从而获得了热-结构耦合分析结果。数值模拟结果与实验数据吻合得很好，说明所采用的研究方法是合理和可行的。此外，实验和数值分析结果均证实，通过合理地施加和控制预变形量，可以有效缓解和协调固定管板换热器在运行中各构件(管板、壳体、管束)之间的变形约束，从而创造良好的运行环境，终提高换热器的运行可靠性和使用寿命。

　　关键词：换热器;预变力;温差应力;预拉伸单元;数值分析

　　中图分类号：TQ 051.5文献标识码：A文章编号：1000–6613(2009)03–0378–05

　　管壳式换热器的管壳程温差引起的热应力是导致固定管板换热器运行发生破坏的主要原因，而一般经验认为，当管壳壁温差超过50℃就应对换热器采取热补偿措施，以缓解过大的温差热应力。为了消除或降低热应力的影响，人们从理论和实践上都提出了很多解决方法，预应力换热器就是一种有针对性的解决方案。文献[1-2]提出了采用反向变形的预应力换热器制造技术，该技术首先采用数值分析计算换热器的管壳可能产生的大温差膨胀量，在换热器的制造过程中施加合适的反向预变形来抵消或降低换热器运行过程中产生的温差热应力。

　　由于管壳式换热器结构的复杂性，目前对换热器热应力的分析研究大多采用数值分析的方法，公开发表的文献大多利用局部模型 [3-4] 进行数值模拟分析，在换热器整体模型上展开研究的较少。对于采用预变形技术的换热器性能分析研究更少，本文利用“分段建模，整体综合”[5-6] CFD模拟新方法，首先从传热与流体力学的角度研究了换热器中温度场的分布，利用CFD得到的温度场作为有限元分析软件ANSYS结构分析边界条件，并且采用预拉伸单元进行预变形量的施加与控制，从而获得热-结构耦合分析的结果，将有限元结果与实验测试数据相比较，对管板及换热管在预变形作用下的应力特性进行了研究和探索。研究结果表明，通过施加预变形量，可以大幅降低运行中的换热器管壳程壁温差引起的应力峰值，有效改善固定管板换热器的安全运行环境，延长管板管子工作寿命，提高了换热器的运行可靠性。

　　1.建模

　　1.1几何模型结构尺寸及工艺条件

　　本研究的换热器为折流杆固定管板换热器(可调节预变形模式)，几何结构模型见图1，模型主要结构尺寸见表1。换热器壳程介质为普通自来水，管程介质为饱和蒸汽，为了得到管、壳程较大壁温差，两种介质流向为并流，主要工艺条件见表2。

　　1.2模型的简化及单元类型的选取

　　换热器整体结构较为复杂，需采用三维实体建模，并对结构作相应简化，本文建立的模型忽略了壳程流体进出口接管、管程的管箱及其进出口接管，相应的影响作为流体流动和传热的边界条件，从而建立起管板、壳体和换热管束组成的1/2对称模型。

　　本文利用ANSYS软件对预应力换热器进行热 -结构耦合分析，把换热管设置为预拉伸单元，其它构件取Solid90作为热分析单元，Solid95为结构分析单元，所有构件材料定义为低碳钢[热导率 47.5 W/(m·℃)，热膨胀系数11.6×10 -6，泊松比0.3]。

　　1.3边界条件的确定

　　将管程进出口边界设定为自由边界;纵向的对称面设置为位移对称边界;壳体的轴向中间面上全部约束自由度为零;换热管各个壁面的温度载荷根据Fluent计算结果拟合出的温度函数关系式施加，其中Fluent分析对换热器采用“分段模拟，整体综合”方法[ 6]，节省计算成本，取得比较理想的效果，并假设壳体内外壁面和管外壁面的温度主要沿着轴向变化，忽略环向温差。由于该换热器壳程和管程流体压力不大，而研究集中在预变形对温差应力的补偿特性，因此不考虑压力载荷。通过对换热管施加预拉伸单元的位移载荷量来体现预变形加载过程。

　　1.4预拉伸单元位移载荷量的确定 [7] 施加预变形时，假定管板外圆周边缘在轴向 (Y)方向上的变形为零，而各层管排近似视为若干同心圆，每个同心圆层上需要设置的预变形数值可根据中心孔的变形量通过线性关系粗略计算得出，然后由设定中心孔的变形数值来满足各个布管层的预变形量的设置要求，预变形量计算如图2所示。当得知a值后，就可以根据各个半径尺寸计算出b、c、d的值，即可以计算得到各根管子上的预变形量。这种假定多孔圆平板的轴向位移线性分布的假设一般仅在管板直径较小的情况下能够满足计算要求。

　　1.5预变形量的确定

　　为了研究预应力换热器的可行性和稳妥地实施样机测试，利用ANSYS数值分析软件进行了实验模型在给定的工艺流体及其工艺参数的情况下危险工况的分析。从而确定换热器的管子与壳体的大热膨胀差，利用此大热膨胀差为基准，通过确定一个适当的安全系数来确定实际可以施加的预变形量的范围，保证在实施预变形时(制造阶段)和正常运行工况甚至危险的运行工况下，预应力换热器均不出现破坏。本文重点研究施加预变形对运行中的换热器相互约束构件可能产生的影响以及随着预变形量而产生的大应力的变化，主要研究预应力换热器模型在施加预变形后的效果，即可行性问题，因此，这里选择并施加的预变形量并非是的数值。

　　2.求解结果与实验结果比较

　　2.1定义路径

　　在蒸汽入口端管板表面定义了两条路径X和 Z，起点均为管板中心孔的圆周上，终点为管板平面的外缘，方向与整体坐标X、Z一致，如图3所示。而定义换热管外壁面轴向路径，起点均为蒸汽入口端(热端)处，方向为蒸汽的流动方向。

　　2.2实验结果与有限元分析比较

　　实验采用应变计作为敏感元件，选取路径X 3 个点，其位置数据如表3所示。采用多次实验的平均值，得到各个预变形下各位置上的径向应变值，如表4所示。为了考察试验结果，将其与有限元分析的结果进行了对比，选用蒸汽入口段管板表面的X方向路径的应变结果，对比情况如图4～图7所示。

　　从图4～图7可见，实验结果与有限元数值分析得到的路径上的应变变化相一致。由于壁面温度加载只考虑了轴向温差、再考虑到实验装置加工产生的各种偏差以及测试过程的偏差和数据处理过程可能出现的偏差，实测数据能够与FEM数据吻合到这种程度已经是很好的结果，这说明采用这种方法进行预变形及其产生的应力分布规律的研究是可行的。

　　3.应力变化规律初步探讨

　　3.1管板径向应力分析

　　图8和图9表示在4种预变形情况下，热端管板的X与Z路径上的径向应变变化情况，其中连续曲线出现间断的地方为管子所在位置。根据广义虎克定律描述的应力应变关系，可以从径向应变近似地估计径向应力的大小，因为径向应力在常规固定管板式换热器中是重要的设计应力。从图8 和图9不难看出，不管是否施加预变形，大应变都发生在管板与壳体连接处的附近区域，且为压缩变形状态;施加预变形后X、Z路径方向上管板应变趋于下降，施加的预变形量越大，管板应变分布越趋于平缓。在出现大应变区域，即应变出现峰值的区域，大应变降低得更多。由此可以根据应变变化趋势大致估计出管板的径向应力分布的变化趋势，即随着预变形增加，径向应力分布趋于平缓。

　　3.2换热管外壁轴向应力分析

　　固定管板换热器的管子主要承受轴向应力，由于换热管的应力分布特点大致相同，故任意选取布管区中的某根管来考察轴向应力沿着路径的变化，见图10。管子轴向为路径方向，起点为蒸汽入口端 (热端)处，方向沿蒸汽的流动方向。由此可见管子轴向应力的分布有以下特点。

　　(1)沿着轴线方向，轴向热应力分布并不均匀，而呈现出从热端到冷端管板逐渐减小之势;热端轴向热应力大，冷端轴向热应力相对较小。

　　(2)不论在冷端管板还是在热端管板，管子与管板连接区域均出现轴向热应力突变，显示连接区域局部有较大的轴向峰值应力。

　　(3)随着预变形量的增加，管子承受的工作状态下的轴向压缩应力逐渐减小，端部的大应力突变趋于缓和，当达到大预变形量(1.0 mm)时，管子承受的压缩轴向热应力已经很小，而热端管板的管子部分区域已经出现拉伸轴向应力，这种状态无疑对防止管子的轴向压缩失稳是非常有利的。由于管子与管板连接为一体，管子轴向应力的降低也缓解了管子与管板连接区域的变形约束，所以，根据不同的设计目的，可以通过制造技术来控制预变形量的大小，从而控制管子轴向应力和管板上的应力分布，有效地防止或降低运行中管子与管板连接区被拉脱和产生疲劳破坏的危险，对于延长管子与管板连接区的工作寿命极为有利。

　　3.3轴向大应力的比较

　　为了定量研究应力分布与所施加的预变形量之间的关系，将各个预变形作用下X、Z路径和外壳的轴向路径(沿着蒸汽流向)出现的正常工作状态下大轴向应力峰值的数值列成表5，进一步考察预变形与应力分布变化之间的关系[7]。

　　从表5可见，随着预变形量的增加，上述路径上的大轴向应力迅速下降。当预变形量为0.5时，大轴向应力已经降低至常规无预变形换热器的大轴向应力的约1/2以下。而在预变形量为0.5～ 1.0，大轴向应力出现反向，意味着可能有零点出现，说明可能存在的预变形量数值。

　　4 结论

　　本文重点说明了利用预(反)变形制造技术实现的预应力换热器结构以及预(反)变形大小对预应力换热器性能的影响，其中主要探讨了制造所施加的预变形量对相互之间变形受到约束的结构所产生的应力大小的影响。通过本文的分析研究，可以得到以下结论。

　　(1)利用实施预变形的制造技术 [1]来进行预应

　　力换热器的加工是可行的，预变形的控制、施加和维持都是可以实现的。

　　(2)利用数值分析软件(Fluent、ANSYS)来进行预应力换热器的工艺性能和结构性能的数值计算是可行的，上述数值计算的研究将终导致预应力换热器设计技术的实现。

　　(3)通过研究预变形与换热器结构应力和变形分布，可知在所确定的预变形范围内，随着预变形量的增加，热态运行中的换热器的应力和应变分布出现缓和，意味着制造过程中所施加的反向变形及其应力与运行过程中产生的工作应力出现了合理的叠加(抵消)，从而有效地降低了换热器中，尤其是相互约束的构件之间苛刻的应力峰值，提高了换热器中容易破坏部位，即管子与管板连接区的运行可靠性和安全性，可以有效地延长换热器的使用寿命。

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