固定管板式换热器的疲劳分析

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1、第50卷第5期化　工　设　备　与　管　道Vol.50No.52013年10月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGOct.2013·压力容器·固定管板式换热器的疲劳分析李霁，陈超，李艳明（中石化上海工程有限公司，上海　200120）摘　要：利用有限元软件ANSYS11.0对固定管板式换热器主体（包括管板、壳程筒体与换热管及接管）的疲劳分析提出了改进的算法。同时，通过具体算例对改进算法与未改进算法的计算结果进行了对比，证实提出的改进算法计算结果简便可靠，为此类换热器的疲劳设计提供了简便可靠的计算

2、方法。关键词：固定管板式换热器；疲劳分析；有限元中图分类号：TQ050.2；TH122文献标识码：A文章编号：1009-3281（2013）05-0008-004鉴于换热器同时具有管程和壳程两种压力介质表1　可能的工况及结构的复杂性，对于管程及壳程中同时存在温度及Table1Possibleloadcases管程壳程压力交变的情况进行疲劳分析是复杂的。对于温度及温度/℃压力/MPa温度/℃压力/MPa压力波动条件不满足JB4732—95《钢制压力容器——可能工况1TT-MAXPT-MAXTS-MAXP

3、S-MAX[1]分析设计标准》第3.10条豁免条件的换热器。需可能工况2TT-MAXPT-MAXTS-MAXPS-MIN要同时考虑管程侧和壳程侧的温度、压力分布可能出可能工况3TT-MAXPT-MAXTS-MINPS-MAX现的各种组合情况，特别是按一般算法计算时显得繁可能工况4TT-MAXPT-MAXTS-MINPS-MIN可能工况5TT-MAXPT-MINTS-MAXPS-MAX琐与费时。本文提出假设换热器的疲劳损伤是由温差可能工况6TT-MAXPT-MINTS-MAXPS-MIN和压力分别作用为

4、前提的改进算法，此方法大大简化可能工况7TT-MAXPT-MINTS-MINPS-MAX了计算过程。可能工况8TT-MAXPT-MINTS-MINPS-MIN可能工况9TT-MINPT-MAXTS-MAXPS-MAX1　固定管板式换热器的疲劳算法可能工况10TT-MINPT-MAXTS-MAXPS-MIN1.1　未做改进的方法可能工况11TT-MINPT-MAXTS-MINPS-MAX可能工况12TT-MINPT-MAXTS-MINPS-MIN根据JB4732—95《钢制压力容器——分析设可能工况13

5、TT-MINPT-MINTS-MAXPS-MAX计标准》，固定管板式换热器主体的疲劳计算，需可能工况14TT-MINPT-MINTS-MAXPS-MIN要同时考虑管程侧和壳程侧的温度、压力分布可可能工况15TT-MINPT-MINTS-MINPS-MAX能出现的各种组合情况，即如果管程侧温度分别可能工况16TT-MINPT-MINTS-MINPS-MIN为最大TT-MAX和最小TT-MIN，管程侧压力分别为最1.2　本文改进的算法大PT-MAX和最小PT-MIN，壳程侧温度分别为最大TS-MAX本文的

6、改进算法：考虑到换热器的疲劳损伤是和最小TS-MIN，壳程侧压力分别为最大PS-MAX和最小由温差和压力波动作用引起的，即主体结构最大应力PS-MIN，则有如表1中的16种可能工况，而固定管板强度波动幅由温差和压力两部分可能工况的交变作式换热器主体的疲劳计算结果则是这16种可能工况用下产生。具体步骤是先分别计算温差引起的应力强两两相减所得值中的最大值，即可能工况1-可能工度波动范围和压力引起的应力强度波动范围，然后再况2，可能工况1-可能工况3，可能工况1-可能工收稿日期：2013-07-18况4⋯⋯

7、总共136个差值结果中的最大值为最终的疲作者简介：李霁（1983—），男，江西景德镇人，工程师。主要劳计算结果。该方法总共需进行152次计算。从事压力容器设备设计工作。2013年10月李霁，等.固定管板式换热器的疲劳分析·9·取它们共同作用的结果作为换热器主体结构最后的应力强度波动范围。而在分别计算温度和压力引起的应力强度波动范围时，根据实际情况进一步假设管程侧和壳程侧的温度同时取最大或最小，以使得管板两[2]端管程侧温差和壳程侧温差的差值达到最大，从而进一步简化计算过程。1.2.1　计算由温差引起的

8、应力强度波动范围由温差引起的应力强度波动范围，由表2中各可能工况两两相减所得。表2　温度工况Table2Loadcasesoftemperature管程温度/℃壳程温度/℃可能工况1TT-MAXTS-MAX可能工况2TT-MINTS-MIN1.2.2　计算由压力引起的应力强度波动范围图1　主体模型结构Fig.1Thegeometricdimensioningofmainbody由压力引起的应力强度波动范围，由表3中各可能工况两两相减所得：表4　疲劳条件T