换热器应力分析报告
换热器管板的应力分析和安全评定
换热器管板的应力分析和安全评定换热器是化工、石油、能源、冶金等重要工业领域中不可或缺的设备之一。
在其使用过程中，管板作为换热器的关键部件之一，承担着重要的传热任务。
但是，在一些恶劣的使用环境下，管板也面临着应力集中、热膨胀、疲劳等问题，从而引发安全风险。
因此，本文将对换热器管板的应力分析和安全评定进行讨论。
1. 换热器管板的应力分析换热器的应力分析，是为了确定其在使用过程中是否会发生变形、裂纹等影响其使用寿命和安全性的问题。
一般而言，应力分析会采用有限元分析方法进行，其基本流程如下：1.确定模型：确定模型的几何尺寸、材料性质、载荷边界条件等信息。
2.离散化：将模型离散化为有限个单元，并建立单元之间的边界。
3.利用有限元法求解模型的位移、应变、应力等物理量。
4.分析结果：根据计算结果，对模型的应力状况进行评估和处理。
在上述流程中，模型的几何尺寸、材料特性等是影响计算精度的重要因素。
换热器管板在实际使用过程中具有复杂的几何形状，以及不同材料特性的组合，因此要对其进行有效的模型构建和材料特性的确定。
在管板的应力分析中，以下因素需要考虑：•管板几何形状：管板的边长、板厚、支撑方式等。
•材料特性：材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等。
•成型工艺：成形工艺对管板宏观形状的影响。
•热载荷边界条件：在换热器使用过程中，热载荷对管板加剧的影响。
2. 换热器管板的安全评定在换热器的实际使用过程中，需要对管板的安全进行评定，以保证其可以在可接受的应力和变形范围内长期稳定的运行。
安全评定通常需要考虑以下两个方面：1.应力状况评估：通过对管板的应力分析，评估其在实际使用过程中的应力状况是否在可接受的范围内，以及是否产生了裂纹等问题。
2.失效分析：对管板的失效问题进行评估和分析，以避免发生失效事故。
失效分析通常包括以下内容：•疲劳分析：对管板的疲劳寿命进行评估和分析。
•腐蚀分析：对管板的腐蚀状况进行评估和分析。
•裂纹分析：对管板的裂纹状况进行评估和分析。
浮头式换热器结构设计及应力分析
压力容器焊接工艺
• 焊接工艺评定 • 焊接材料 • 焊接接头分类 • 焊接坡口 • 施焊环境 • 预热 • 焊接要求 • 后热 • 焊缝返修
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应力分析
• 定义工作文件名及工作标题 • 定义材料属性及单元类型 • 建立几何模型 • 划分有限单元网格 • 施加约束条件 • 施加载荷 • 求解与结果分析
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结构设计
浮头设计
浮头是浮头式换热器内的重要构件，所 谓浮头指的是换热器两端的管板一个是固定 的，一个是浮动的 ；管束可以从壳体内抽出 来，便于清洗；管束的热变形不会受到壳体 的约束，因此消除了热应力。 但浮动管板处 容易泄露，因此密封性要求较高。 钩圈是浮头内的重要部件，为对开式结 构。此处设计的是深钩圈。材料为16MnR。
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结构设计
壳程结构设计
折流板可提高壳程介质流速，强化传热 效率 ，还具有支撑管束的作用 。 拉杆和定距管是用来固定折流板的。 挡管避免产生管间短路（管间短路对传 热效率的影响较大）。
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结构设计
滑道是为了防止管束在抽出或装入壳体 时折流板损坏。 浮头式换热器为了减少短路，强化传热， 在壳程两端的进出口增设内导流筒。 排气液口试为了回收或排除介质、空气 及凝液。
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结构设计
浮头封头为带法兰的球冠形封头，材 料为20号钢，尺寸结构如图：
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结构设计
管板设计
设计中共有两个管板，一侧为固定 管板，另一侧为浮头管板。管板一般 采用低合金钢锻造，此处管板材料为 16MnR ，固定管板厚度为60mm ，浮 头管板厚为62mm。 管板上管孔加工时要保证孔的位 置及尺寸精度。
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。
关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析一、概述固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。
在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。
不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。
JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。
分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。
本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。
本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。
图1基本设计参数图2结构简图二、有限元模型建立1.材料参数本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。
S31803材料具体性能如下：温度/K弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/[10-6mm/( mm·K)]导热系数/(W/(m·K)设计应力强度/MPa423 .151900.313.416.1246.73831930.13.1515.5156.2.153343 .15196.40.31314.9258.3303 .152000.312.614.2258.7（二）材料尺寸本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。
浮头换热器管板热应力分析
蕾 ， 钱 才富 ， 刘久 逸 。 刘 志 胜
（ １ ． 北京化工大学 机 电工程学院 ， 北京
１ ０ ０ ０ ２ ９ ； ２ ． 山东美陵化工设备股份有限公 司， 山东 淄博
摘 要： 浮头换 热器 是 工程 上应 用极广 的管 壳式换 热器 ， 由于浮 头端 管板 与壳体 不相连 ， 一般浮 头换
关键词： 浮 头式换 热 器 ； 管板 ； 热应力； 有 限元 分析
中图分类号 ： Ｔ Ｈ ４ ９ ； Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ５ ； ０ ３ ４ ３ ． ６ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ － ４ ８ ３ ７ 【 ２ ０ １ ５ ） ０ ６－ ０ ０ ５ ５— ０ ６
热器 管板 设 计不考 虑 温差 应力 作用 。建 立 了某循 环 油 浆蒸 汽 发 生器 管 板 有 限元 分 析 模 型 ， 分别 计
算 了在 管程 压力 、 壳程 压 力和 温差 ３种载 荷作 用 下 管板 中的 应 力 ， 并考 察 了管板 厚度 的影 响 ， 结果
发现， 对于厚管板 ， 由温度载荷引起 的管板 中的应力甚至大干 由压力载荷所 引起的应力。 因此， 虽 然是 浮 头换 热器 ， 当管 板 厚度较 厚 时 ， 不 能 忽略 温度 载荷 的作 用 。
ｈ ｅ ａ ｄ ｈｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｓ ． Ａ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ａ ｓ ｌ ｕ ｒ ｒ ｙ ｏ ｉ ｌ ｓ ｔ ｅ ａ ｍ ｇ ｅ ｎｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｗａ ｓ ａ ｔ ｙ ｐｉ ｃ ａ ｌ ｌｏ ｆ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ — ｈｅ ａ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈａ ｎｇ ｅ ｒ ．Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ — ｓ ｉ ｄｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ， ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ — ｓ ｉ ｄ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ．Ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ
发夹式换热器管板的应力分析与强度评定
第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024发夹式换热器管板的应力分析与强度评定孙梦莹，郭超越，李卓群，刘壮（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）摘 要：应用ANSYS有限元分析软件，考虑压力载荷和温度载荷对管板整体应力分布的影响，采用顺序耦合法对发夹式循环冷却器的热端管板在7种工况下进行有限元应力分析。
结果表明：在压力载荷与温度载荷共同作用下，管板最大等效应力为329.9 MPa，位于布管区内换热管与管板连接处。
壳程先停工况下管板的最大等效应力值最大值为332.5 MPa，是发夹式循环冷却器管板的最危险工况。
在对管板上最大等效应力处进行当量线性化处理，结合分析设计标准进行强度评定，评定结果均合格。
关 键 词：发夹式换热器；管板；有限元分析；应力线性化；强度评定中图分类号：TQ051.5 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0545-04发夹式换热器因其外形形似发夹而得名，其外形结构可视为单管程、单壳程、管束为U型的固定管板式换热器[1]。
与传统换热器相比，发夹式换热器具有换热效率高、管板温差应力小等优点[2]。
如何依据换热器形式以及选择合适的设计标准，进行管板设计是换热器设计工作中一项重要工作[3]。
随着计算机技术的发展，利用有限元软件辅助管板设计进行了很多工作[4-9]。
陈杰[5]等利用ANSYS 有限元软件对LNG绕管式换热器管板及其相连的管箱、换热器壳体进行了整体建模和多工况下的有限元应力分析。
通过增加短节厚度的方式解决了管箱短节处局部薄膜应力过大的问题。
张睿明[9]等利用ANSYS有限元软件中的Workbench模块针对U 型管换热器的管板进行了热固耦合分析，比较了三角形与正方形布管方式对管板热应力及机械应力的影响，为特定工况下选择合适的布管方式提供了理论依据。
固定管板式换热器(散热器)应力的有限元分析
固定管板式换热器（散热器）应力的有限元分析摘要：应用ANSYS有限元软件，建立了某固定管板式换热器的结构分析模型，对3种操作工况下换热器的应力场进行了计算，并校核了其中的危险工况。
结果表明：受热载荷作用的换热器，最大应力在管板与管箱内壁面的过渡圆角处；“表皮效应”使距壳程侧2 mm处管板上的应力最大；换热器的各部件安全裕度均大于2，常规设计方法过于保守。
关键词：固定管板式换热器；有限元法；应力分析0 引言固定管板式换热器是受力最复杂的管壳式换热器，当管束与壳体的温度及材料的线膨胀系数相差较大时，承压壳体与管束中将产生较大的热应力，会进一步增大各部件中的应力。
本文采用有限元软件ANSYS分析某化工厂的一台DN500固定管板式换热器，建立带有真实管箱和换热管的有限元模型，并对管板、壳体和换热管的强度等进行应力分析及评定，为今后换热器强度分析和优化设计提供理论依据。
1.有限元模型的建立以换热器轴向为Z轴，垂直于纸面方向为X轴，竖直方向为Y轴建立总体坐标系。
忽略进出口接管的影响，换热器几何结构和承受载荷关于坐标面对称，取1/8模型为研究对象。
为避免边缘效应影响，管箱伸出管板的长度应大于113 mm，本文取管箱长度150 mm。
换热器上各部件的材料属性如表1所示。
为保证耦合分析中节点的一致性，传热分析中选用热单元SOLID70，相应地结构分析时采用实体单元SOL-ID45。
采用APDL语言先建立管板和换热管的横向截面，借用辅助单元Shell57划分网格，沿轴向拖拉成三维模型。
再建立管箱和壳体的轴向截面，绕轴旋转，生成如图1所示的换热器有限元模型。
该模型外径为508 mm，管板厚度为32 mm，壳体与管箱的壁厚为6 mm，换热管尺寸为准25 mm×2 mm。
总单元数为44 420个，总节点数为80 451个。
热分析时在壳程侧管板面、壳体内表面和换热管外表面施加44.7℃的温度载荷，管程侧管板面、管箱内表面和换热管内表面的温度载荷为112.8℃。
热管换热器管板热应力分析
生在管板 与壳 体连接处 ， 也是热侧流体进 口和冷侧流体 ［ ＿ ＿ ｆ 处，
此 处 的温 度 载 荷 相 对其 他 管 板部 分 较 大 ，南 ‘ ｒ管 板 与壳 体 的 材
料是完全相 同的． 并闲壳体与管板之间施加 了约束 ． 产生 了 一 定
的挤 压 力 ， 导致 其 热 应 力 相 对 较 为 集 中 ， 热应 力值较大 ， 与现 实
中的设备运行状态从数 值化方 面体现的 配度较高
４ 小 结
由温度载荷分布 汁算温度载 衙引起 的热 懂 力，由云 图可以
得知 ， 在管板边缘处 ， ｆ ｛ １ 于管 板 受 到壳 体 焊 接 的 约 求 产 生 一定 的
图 １热 应 力 分 布 云 图
应 力集 中 ， 且 在 热 侧 进 口处 存 在 一 定 的 温 差 ， 所 以最 大值 在 管 板 与壳 体 的 连 接 处 ， 热 力 达 到 最 大 值 ３ ２ Ｍ Ｐ ａ ． 埘比实际 ｆ 况 下 的
Ｉ 河ｊ 匕 ｌ
爿 Ｅ Ｂ ＥＩ ＮｏＮＧＪ
摘
要： 热管换 热器存在着一定温度载荷 ， 温度载荷的热应力是 需要分析 的， 需要 比较精确地对热管换 热器管板
温度场分布规律做 分析 ， 以及计算 由温度载荷导致 的温度载荷应力分布。 关 键词 ： 温度栽荷 ； 热应力； 应 力 分 布
力 图 如 图 ２所 示 。
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２ 热 应 力 分 析载 荷及 其边 界 条 件 分 析
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：
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热 应力分析 中的载荷 为温度载 简，可以将节 点温度作 为体 载荷施加 ， 在加载 温度载荷 时 ， 需 要考 虑其边界约 束条件 ， 本课 题 根据实际情况 ， 因为在壳体与管板的连接处 ， 采用的是焊接连
换热器的应力分析报告
换热器的应力分析报告表二各种材料性能参数表2工具和技术●JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》●GB151-1999《管壳式换热器》●GB150-1998《钢制压力容器》●ANSYS有限元分析软件3 几何模型本结构由壳程筒体、管程筒体、管板、换热管组成。
在建立三维几何模型时，利用对称性，沿圆周向截取90度的扇形区域，管程筒体沿轴向取50mm，壳程筒体沿轴向取L=2.5Rt （R是与筒体的平均半径，t是该筒体的厚度），算得小于400mm，在那个地点取400mm，依照圣维南原理就能够排除筒体边缘处轴向应力分布对管板处应力分布的阻碍。
图1 换热器整体模型图2 换热器管板模型在ANSYS有限元模型中，为了同时表达换热管对管板的支撑作用和管孔对管板的削弱作用，在ANSYS建立模型中，换热管也进行网格划分，单元用SOLID45，同时全部模型都采纳的是SOLID45单元。
在进行ANSYS运算时，已考虑了腐蚀裕量的阻碍，具体做法是，因为只有壳程有腐蚀裕量，将壳程筒体的壁厚加2mm，筒体的内直径加4mm，而管板和换热管都采纳的是00Cr22Ni5Mo3N材料，因此不用考虑腐蚀裕量。
结构整体的几何模型见图1和图2，其中，图1是换热器整体模型，图2是换热器管板模型。
关于管板的四分之一模型见图3，其中有壳程筒体-管板-管程筒体连接处的细部和九十度布管区布管详图。
图4为主体结构三维几何模型，图5为主体结构有限元模型，图6和图7为主体结构有限元模型的细部。
图3 壳程筒体-管板-管程筒体连接处细部和九十度布管区布管详图图4 主体结构三维几何模型图5 主体结构有限元模型图6 主体结构有限元模型细部-管板图7 主体结构有限元模型细部-锻件4 力学模型本结构在所考虑的各种工况下能够构建统一的力学模型。
4.1约束结构给定以下约束：1.在沿壳程筒体400mm处的截面上，壳程筒体端部和换热器端部的轴向位移为0；2.在沿换热器周向的两个分割面上，即位于0度和90度角处，在0度截面上，所有y方向的位移为0，在90度截面上，所有x方向的位移为0。
基于optistruct的某微通道换热器热应力分析
2019年第12期- 47 -经验 Experience一、概述空调制冷系统中的换热器主要有冷凝器和蒸发器两种，其中这两个部件也是压缩制冷循环中不可或缺的基本部件。
冷凝器的作用是将高温高压的冷媒热量通过热交换传递给室外环境；而蒸发器的作用是将低温低压的冷媒的冷量通过热交换传递给内部空气，并带走一定量的空气中的水蒸气。
微通道换热器是基于微尺度效应的一种新型高效换热器，借助特殊的加工工艺，以固体基质制造的可用于进行热量传递的三维结构单元，目前广泛应用于汽车空调行业等领域。
本文是以某冷凝器为研究对象，考虑了微通道换热器在温度载荷下的约束，利用HyperWorks 软件对结构整体温度场进行数值分析，分析过程中考虑了扁管、集流管、支架和管座之间的相关连接关系和约束关系，建立详细有限元模型，用OptiStruct 求解器计算得到给定温度载荷下的热应力分布和变形，判定设计方案的可靠性和合理性。
二、微通道换热器的有限元模型建立通过CATIA 建立微通道换热器的三维实体模型，如图1所示。
为便于有限元前处理，将模型导出为.stp格式。
图1 某微通道换热器三维模型针对该微通道换热器模型，文章采用主流CAE 前处理软件HyperMesh 进行网格划分。
在进行网格划分时，微通道换热器所有部件均用四边形单位，单元类型为基于OptiStruct 的某微通道换热器热应力分析文|浙江盾安人工环境股份有限公司 张克鹏投稿邮箱cadcam@ IMCHINA@- 48 -经验 ExperienceCQUAD4， 单元基本尺寸设为3mm ，各个部件之间连接采用共节点。
最终有限元模型共有节点数为405 392，单元数为461 174。
微通道换热器有限元模型如图2所示，局部放大图如图3所示。
图2微通道换热器有限元模型图3 微通道换热器有限元模型局部放大图三、建立热力耦合模型1、传热分析原理传热分析是指在热载荷作用下，求解结构的热流量和温度。
换热器管板的应力分析和安全评定
换热器管板的应力分析和安全评定换热器是工业生产中广泛应用的一种设备，通常用于将两种介质在不混合的情况下进行热量传递。
它由很多管子和管板构成，介质在管子内流动，通过管板上的孔洞进行热量交换。
在使用换热器时，其安全性是至关紧要的，由于任何故障都可能导致物质泄漏和人身损害。
因此，在生产过程中应对换热器进行应力分析和安全评定来保证其安全性。
一、换热器管板的应力分析为了进行换热器管板的应力分析，我们首先需要确定造成管板应力的因素。
换热器管板中存在的重要应力因素包括内压、重量和温差。
其中，内压是最重要的应力因素之一，它是由介质在管子内流动时所产生的。
介质内部的压力会渐渐加添，等于介质流入管子与流出管子时产生的总阻力，因此内压对管板的应力会产生显著的影响。
在确定了产生应力的重要因素后，我们需要使用Mises应力理论推导出管板上所承受的应力。
Mises应力理论是一种用于求解材料在三维状态下的最大直应力与剪应力的理论，它可以用于推测并掌控材料的破坏情况。
依据Mises应力理论和力学原理，我们可以得出换热器管板上所承受的应力公式如下：σ = (1/2) * [ (p*D^2)/4t - WgH/(2bh) + (ΔT*α*E) ]其中，σ表示管板受到的应力，p表示介质内压力，D表示管子直径，t表示管壁厚度，Wg表示介质所产生的重力，H表示管子长度，b和h分别是孔洞的宽度和高度，ΔT表示介质的温差，α表示材料的热膨胀系数，E表示杨氏模量。
依据上述公式，我们可以分析出导致管板应力变化的各个参数之间的关系。
例如，当p增大或D减小时，σ也会加添；当t增大或Wg减小时，σ会减小。
此外，ΔT也会对管板应力产生重点影响，当ΔT加添时，σ也会加添。
二、换热器管板的安全评定在进行换热器管板的安全评定时，我们需要首先了解管板的材质和强度特性。
一般来说，管板的材质通常是不锈钢、碳钢或者铜等。
我们需要通过对材料的强度测试来确认材质的耐用程度以及对于承当应力的峰值本领。
换热器管板上开口的应力分析
管板壳程侧堆焊层厚度12mm ，管程侧堆焊层厚度6mm ，堆焊层过渡圆角半径R6，换热管规格：Φ25×2，U 型管根数：746，正方形排列，排放管设置在管板半径R760处，排放管规格：Φ34×5，排放管与管板间隙1mm 。
元件材料性能见表2。
表1 中温换热器设计参数筒体，封头14Cr1MoR+堆焊14Cr1MoR+堆焊操作温度/℃395～370239～263设计温度/℃450380操作压力/MPa 6.3 6.4设计压力/MPa 7.47.4试验压力/MPa 13.712.1工作介质变换气水煤气换热面积/m 2313元件材料壳体：14Cr1MoR+堆焊；管板：14Cr1Mo+堆焊；换热管：S32168表2 元件材料性能(试验温度20℃)许用应力强度Sm 193181.0137弹性模量 E204000204000195000屈服强度3102902102 管板、换热管、排放管应力分析2.1 建立管板、换热管、排放管有限元模型根据管板、换热管、排放管的几何和受力特点，取四分之一几何图形，建立有限元分析模型近似模拟此结构应力分布，模型几何参数见表3，管板、换热管、排放管有限元模型见图2，管板排与放管模型见图3。
(应力分析工况为壳程侧水压试验，有限元模型中所有元件厚度均包含堆焊层厚度。
)0 引言在立式换热器设计时，常常在管板上设置一个排放孔，其主要目的是排出壳程介质易产生的沉淀聚集和蒸流液聚集，避免加重管板与换热管焊缝的腐蚀，影响换热效果；某公司制造的一台中温换热器，设置了一个Φ36的排放孔。
设备制造过程中，进行水压试验时，排放管焊缝附近出现泄漏。
为分析泄漏原因，我们发现运用常规的内压剪切力方法进行应力校核计算不能反应排放管焊缝附近真实的应力装态，所以用ANSYS 软件对管板及排放孔做有限元应力分析，发现原设计给出的排放孔焊接强度不够；制造厂需要对此部位进行返修，因该U 型换热器的管板采用管、壳程固定式结构(焊接结构)，返修需切开折流板后，对已焊接的排污管泄漏部位修磨，按照分析计算要求的焊脚尺寸重新焊接后，最终试压合格。
CB1502绕管式换热器管板应力分析与强度评定有限元分析报告文案
CB1502绕管式换热器管板应力分析与强度评定有限元分析报告目录1 概述 (1)2 结构及其应力分析计算参数 (1)2.1 结构设计 (1)2.2 应力计算参数 (1)2.3 材料性能参数 (2)2.4 应力分析工况 (2)3 有限元分析 (3)3.1 第二级管板有限元分析 (3)3.1.1 上管板有限元分析 (3)3.1.2 第二级中间管板有限元分析 (11)3.2 第一级管板有限元分析 (18)3.2.1 第一级中间管板有限元分析 (18)3.2.2 下管板有限元分析 (33)4 结论 (50)附录一 (51)附录二 (52)1 概述针对换热器CB1502管板结构，利用有限元分析软件ANSYS13.0对局部结构进行应力分析，并按照JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005确认）的要求进行应力强度评定。
报告中所有材料参数参照GB150-2011《压力容器》。
上管板、第一、二级中间管板厚度均为150mm，下管板厚度为200mm，分别建立第二级管板与第一级管板有限元模型。
其中，第二级管板包括上管板和第二级中间管板，第一级管板包括第一级中间管板和下管板。
2 结构及其应力分析计算参数2.1 结构设计换热器总体结构见附录一。
2.2 应力计算参数该换热器的设计参数如表1所示：表1 换热器设计参数2.3 材料性能参数主要材料在设计温度下的力学性能参数见表3：2.4 应力分析工况鉴于该换热器的结构和工况较为复杂，本报告按表4所示的七种工况对设备的第二级管板进行应力分析，并作相应的强度评估；按表5所示的十五种工况对第一级管板进行应力分析与强度评定，从理论上确定此设计方法的安全性和可靠性。
表4 第二级管板分析工况表5 第一级管板分析工况3 有限元分析3.1 第二级管板有限元分析3.1.1 上管板有限元分析3.1.1.1 实体模型由于上管板结构和载荷的对称性，创建1/4实体模型，包括壳程圆筒、锥壳、上管板、中心筒和换热管，壳程圆筒长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1200mm，同时取伸出管板的换热管长度为100mm，中心筒长度为400mm。
实验二 换热器壳体应力测定实验
实验二 换热器壳体应力测定实验一、实验目的1．测定在壳程压力作用下换热器壳体上的应力；2．测定在压力和温度载荷联合作用下换热器壳体上的应力3．掌握电阻应变原理和应力测定方法，熟悉电阻应变仪的使用方法；。
二、实验原理应力测定中通常用电阻应变仪来测定各点的应变值，然后根据广义胡克定律换算成相应的应力值。
换热器壳体可认为是处于二向应力状态，因此，在弹性范围内广义胡克定律表示如下：周向应力：)(12z Eνεενσθθ+-= （2-1） 轴向应力：)(12θνεενσ+-=z z E（2-2）式中E 和ν分别为设备材料的弹性模量和泊桑比；θε和 z ε分别为周向应变和轴向应变。
电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成为电压电流的变化。
在正常操作条件下，换热器壳体中的应力是流体压力载荷（壳程压力s p 、管程压力t p ）、温度载荷及重力与支座反力所引起的。
由于换热器的轴向弯曲刚度大，重力与支座反力在壳体上产生的弯曲应力相对较小，可以忽略。
因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时有：p θθσσ= （2-3） t z p z z σσσ+=（2-4）式中 p θσ——压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力，MPa ；p z σ——压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，MPa ； t z σ——温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，MPa 。
温度载荷或温差大小的计算应以管程和壳程流体进出换热器壳体的温度值为依据。
但在实际试验中，从温度传感器到换热器出入口的过程中有热量损失，所以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，换热器入口和出口的温度可估算如下。
如图2-1，'1T 、'2T 分别为换热器管程热水入口和出口温度，1t 、'2t 分别为换热器壳程冷水入口和出口温度，其中入口温度1t 和测量值是一致的。
外为空气（设温度为t 0），总传热系数K 可近似等于水的传热系数，因此有：)()2('110'11111T T c V t T T K S Q pt t t t t -=-+=ρ由此得pt t t t t t t t t pt t t c V K S T K S t K S T c V T ρρ+-+=22111110111'1 （2-5）其中： 11t i t l d S π=，i d ——管内径，i d =0.025m ；1t l ——从传感器到换热器热水入口的长度，1t l =0.3m ； 1t K ——从传感器到换热器热水入口管程总传热系数，14.033.08.011027.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯==w t r e i tt t P R d K μμλα其它符号说明见本实验附录。
固定管板式换热器应力分析
【中图分类号]TB65；TQ051.5
【文献标志码】B
[DOI] 10.13616/ki.gcjsysj.2020.01.051
【文章编号11007-9467 (2020) 01-0162-03
1引言
固定管板式换热器是管壳式换热器中一种常用的结构形 式，主要由壳体、管板、管束、封头压盖等部件组成，管束两端 用强度焊加胀接的方法固定于管板上，两端管板直接焊接于 壳体上，同时壳体上还焊有一些工艺接管叫因此,有必要依据
(China United Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310051, China) 【摘 要】运用有限元分析方法，通过建立固定管板式换热器关键结构的三维模型，并依据JB4732—1995(钢制压力容器一分析设 计标准》，以设计工况为例进行了应力分析。分析结果表明，该设备的结构设计满足应力强度的要求。有限元分析结果为该固定管板 式换热器的设计与制作提供了理论依据，同时也为类似非标设备的设计提供了 一种新的分析思路和方法。
16.1
246.7
15.5
156.2
14.9
258.3
14.2
258.7
2. 2工艺条件
在各种工况中，最为严苛的工况是设计工况，所以，本文
应力分析是基于设计工况进行的，分析计算条件见表2。
表2分析计算条件
计算温度 /K
423.15
壳程计算 压力/MPa
0.6
管程计算 压力/MPa
2.8
壳体平均 壁温/K 333.15
为筒体的内直径。
2.3.2锥壳厚度 计算得锥壳半顶角a=1.96。，锥壳大端切点内半径R.=
435.25mm。因 P”=2.8MPa<0.4KS”=0.4xlx246.7=98.68MPa,故锥
基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析
基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析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、污垢系数低及结构紧凑的换热设备。
但是可拆卸式板式换热器，由于本身结构的局限性，使用压力不超过2．5MPa，使用温度不超过250℃，还存在流体与密封垫片的相容性问题uj。
因此，为了提高板式换热器的使用温度和压力，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，有全焊式板式换热器和半焊式板式换热器两大类。
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中。
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，但是钢板太薄会给制造加工带来很大的困难。
尤其是在焊接时，薄板的对接焊缝易烧穿无法成型。
在全焊接板式换热器中就存在这样的问题。
在全焊接板式换热器中由于管侧端板为δ= 20ram的0Crl8Ni9钢板，而换热器板片的板厚仅为0．4—1．0ram，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。
如果将传热板片的板厚加厚(如改为1．2ram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一层δ=3—4mm、按板束翼端连接处实际形状制造的连接板解决上述问题j。
由于连接板与板束、管侧端板等结构焊接，连接板处的受力状况及其分析较复杂，因此采用ANSYS软件进行分析和结构优化是必要的。
1 管侧集合箱结构和计算条件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、前后管侧侧端板构成一个矩形截面的容器，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。
管侧集合箱的计算条件如表l所示。
材料的力学特性如表2所示。
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PREP 7，经过单元类型选择、材料参数的确定、几何建模和单元生成等步骤，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。
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定摘要:换热器通俗来讲是同种流体间能够通过热能传递的一个机器装备。
不管是多种流体亦或者是固定粒子，相遇时将能够产生热接触。
换热器之所以在工业生产中受到重视，原因在于工业领域所需要的食品、能源等行业都有换热器存在，换热器在工业生产中占据重要地位，由于它的特点之一是能够对能源进行存储转换，因此在新能源利用中收到相当好的效果。
随着全球经济飞速发展，在能源利用上经常出现浪费资源等问题，工业生产带来的不仅是发展，也产生能源紧张的弊端。
因此，为了节约能源及寻求循环利用的办法，全球目前都致力于此项活动。
换热器之所以被广泛应用，很大一部分原因则是因为在化工生产中能通过合能源来进行转换回收。
换热器是由管板和换热管综连接而成的，因此若是结构不连续，局部产生应力集中或应力过大会造成换热管出现破败现象，导致产生各种质量问题。
综上所述，本文将详细讲述关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定的必要性及出现问题后相关解决措施。
关键词:固定管板式；换热器管板；应力分析和强度引言:关于工业企业生产过程中的机器设备换热器，它分为四种种类，有接触式，蓄热式，间壁式和中间载体式几种，但厂里最常用的乃是表面式换热器，而固定管壳式换热器则是间壁式分类而来，它的结构特点是十分坚固，且适用范围广，能够承受住企业较大的操作压力，之所以如此受企业青睐，其中的原因是生产成本低，清洗操作方便。
尽管在科技高速发展的时代有各类新型换热器出现在市场，但固定管板式换热器依然占据主导地位，则是因为它的优点多。
一、关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度必要性固定管板式换热器之所以站在主导地位，则是因为它造价成本低，受众范围广，且能承受压力大。
且它损坏之后可以进行更换，简单快捷。
尽管固定管板式换热器拥有众多优点，但也存在一定硬伤，它由于结构原因容易导致管束与壳体之间的壁温过大而泄露，或者封口被腐蚀等，当它产生较大热应力，将会致使换热管失效或运行停止。
换热器热应力耦合分析
换热器热应力耦合分析大连民族学院本科毕业设计（论文）换热器热应力耦合分析学院（系）：机电信息工程学院专业：机械设计制造及其自动化大连民族学院毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。
化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。
实验五换热器壳体应力测定实验
实验五换热器壳体应力测定实验一、实验目的1．掌握电阻应变片测定应力的原理和方法，熟悉有关应力测定仪器；2．测定在壳程压力作用下换热器壳体上的应力；3．测定在压力和温度载荷联合作用下换热器壳体上的应力。
二、实验装置1．过程设备与控制多功能实验台2．静态电阻应变仪YJ-33三、基本原理应力测定中通常用电阻应变仪来测定各点的应变值，然后根据广义胡克定律换算成相应的应力值。
换热器壳体可认为是处于二向应力状态，因此，在弹性范围内广义胡克定律表示如下：周向应力：（2-1）轴向应力：（2-2）式中E和分别为设备材料的弹性模量和泊桑比；和分别为周向应变和轴向应变。
电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成为电压电流的变化。
在正常操作条件下，换热器壳体中的应力是流体压力载荷（壳程压力、管程压力）、温度载荷及重力与支座反力所引起的。
由于换热器的轴向弯曲刚度大，重力与支座反力在壳体上产生的弯曲应力相对较小，可以忽略。
因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时有：（2-3）（2-4）式中——压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力，；——压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，；——温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，。
温度载荷或温差大小的计算应以管程和壳程流体进出换热器壳体的温度值为依据。
但在实际试验中，从温度传感器到换热器出入口的过程中有热量损失，所以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，换热器入口和出口的温度可估算如下。
如图2-1，、分别为换热器管程热水入口和出口温度，、分别为换热器壳程冷水入口和出口温度，其中入口温度和测量值是一致的。
图2-1 温度分布示意图（1）计算流体流经管路损失的热量等于流体经过管壁传出的热量，因管内为水，管外为空气（设温度为t 0），总传热系数K 可近似等于水的传热系数，因此有：由此得（2-5）'1T )()2('110'11111T T c V t T T K S Q pt t t t t -=-+=ρpt t t t t t t t t pt t t c V K S T K S t K S T c V T ρρ+-+=22111110111'1其中： ，——管内径，=0.025m ；——从传感器到换热器热水入口的长度，=0.3m ； ？ ——从传感器到换热器热水入口管程总传热系数，其它符号说明见本实验附录。
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a. 位移边界条件
下管板螺柱面（下方）施加轴向约束；结构纵向对称面施加对称约束。 b. 力学边界条件
Ⅰ. 温度载荷 （1）管程施加温度边界条件，温度为 210℃； （2）壳程施加温度边界条件，温度为 250℃； （3）壳程筒体外表面施加相应的空气对流边界条件 12e-6W/(mm2·℃)，环境温度 20 ℃。 Ⅱ. 机械载荷 结构应力分析： 工况Ⅰ（管程单独作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa。 工况Ⅱ（壳程单独作用）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98MPa。 工况Ⅲ（管、壳程同时作用）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa；
14.1
15.4
16.1
16.8
17.6
18.3
19.0 19.7
平均线膨胀系数 10-6mm/mm·℃
弹性模量（103MPa）
16.38 1.95
16.84 1.89
17.06 1.86
17.25 17.42 17.61 17.79 17.99
1.83
1.79
1.76
1.72
1.69
空气对流传热系数 12x10-6
51
mm
操作状态下垫片接触
1.设计参数
设计规范 Design code 数值计算方法 Numerical methods
《热交换器》GB/T 151-2014 《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009
有限元
壳程
管程
操作压力 MPaG Operating pressure 设计压力 MPaG Design pressure 工作温度 ℃ Operating temp. 设计温度 ℃ Design temp. 平均金属温度 ℃ Average temp 主体材质 Material 腐蚀裕量 mm Corrosion allowance 介质 FLUID
1.45 1.6 250 300 230 S30408 0 导热油
上管箱：4.76 下管箱：0.09 上管箱：5.1 下管箱：0.5 210 300 230 S30408/ S30408III 0
聚合物溶液（聚丁烯、丁烯）
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螺栓载荷 wp 建模时垫片外径
1506 24
8.94 69
10144612.4 1497.06
mm
接触内径
1458 mm
基本密封宽度
mm
12.5 mm
b0
垫片压紧力作
mm 用中心圆直径 1488.1 mm DG
MPa 垫片系数 m
3
N 操作状态下螺栓设计载荷 w=wp
mm
螺b0
日期 Date 日期 Date 日期 Date 日期 Date
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目录
前言 ............................................................................................................................... 3 1.设计参数 .................................................................................................................... 4 2.计算工况 .................................................................................................................... 5 3.材料常数 .................................................................................................................... 5 4.结构简图 .................................................................................................................... 6 5.模型、加载、分析结果及应力评定 ....................................................................... 7 附录 ............................................................................................................................. 41
热分析材料特性参数：
设计温度（℃） 300 300 220
温度载荷 （℃） 不考虑 不考虑 不考虑 考虑 考虑 考虑
许用应力强度 Sm（MPa） 114 85 93.6
泊松比 0.3 0.3 0.3
S30408
温度
20 ℃ 50 ℃ 150℃ 200 ℃ 250℃ 300℃ 350℃ 400℃
导热系数 10-3W/(mm·℃)
本分析报告中所有分析模型的基本结构参数、载荷工况及分析条件均取自 “换热器”施工图（图号：RG /01）。对设备的技术要求均已列入“换热器”施工图 （图号：RG /01）中，本报告不再赘述。
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（3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. 热应力耦合分析： 工况Ⅳ（管程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59. 7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85Mpa； （7）考虑温度场。 工况Ⅴ（壳程+温度载荷）： （1）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6MPa； （2）垫片圆环面施加垫片预紧压紧力 PDY=68.97MPa； （3）螺栓中心圆施加螺栓预紧等效力：PLY=16.98Mpa； （4）考虑温度场。 工况Ⅵ（管、壳程+温度载荷）： （1）上管板表面及换热管内表面施加设计压力 PI=5.1MPa； （2）下管板表面施加设计压力 PI=0.5MPa； （3）上管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PD=30.6MPa； （4）下管板垫片圆环面施加垫片操作压紧力 PDX=3MPa； （5）上管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PL=59.7Mpa； （6）下管板螺栓中心圆施加螺栓操作等效力：PLX=5.85MPa （7）壳程内表面施加设计压力 PS=1.6Mpa。. （8）考虑温度场。
W/(mm2·℃)
注 : 1. 钢 材 的 导 热 系 数 取 自 ASME Ⅱ -D ， 对 流 传 热 系 数 由 专 业 人 员 计 算 提 供 ， 其 余 材 料 常 数 取 自
GB150.1~150.4-2011。
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ANSYS
应力分析报告
STRESS ANALYSIS REPORT
项目名称：
PROJECT
设备名称：脱挥换热器
EPUIPMENT
设备位号：HX-03
ITEM
图 号：
DWG No.
设计单位：中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司
DESIGNER
编制 Analyze 校核 Check 审核 Review 批准 Approve
2.计算工况
管程压力 （MPa）
工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6
5.1 0 5.1 5.1/0.5 0 5.1/0.5
3.材料常数
壳程压力 （MPa） 0 1.6 1.6 0 1.6 1.6
许用应力和弹性模量
材料名称 S30408(壳体及换热管) S30408III(管板δ=250mm) S30408III(管板δ=250mm)