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
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。
管壳式换热器部件的应力分析及强度校核
管壳式换热器部件的应力分析及强度校核盖超会;高兴;刘俊;刘慧【摘要】本文对某换热器的前管板在机械载荷和热载荷下利用有限元分析软件ANSYS进行强度分析。
在分析时，首先进行热分析得出温度分布，得出温度最大值出现在换热管与管板接触区，且最大值为150.408℃。
然后在热分析的基础上进行应力分析，得出最大应力出现在螺栓连接处，且为174 MPa。
最后参照JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》采用线分析法选取7处危险区域进行应力评定，得出3处应力（为机械载荷和热载荷的总应力）最大为174 MPa小于安全值438 MPa。
所以该换热器在运行过程中是安全的。
%The strength analysis of tube plate of a heat exchanger based on finite element analysis software ANSYS was carried out. Firstly, the thermal analysis was carried out in the process, the highest temperature portion was the part that the plate contacted with tubes ,and the highest temperature was150.408 ℃.Secondly, the stress analysis was carried out based on the thermal analysis, the maximum stress part was in the connecting part of bolts. Thirdly, the stress assessment was carried out according to JB4732-1995 Steel Pressure Vessels-Design by Analysis, seven parts were selected for stress assessment. The maximum stress was 174 MPa,it was less than the safe stress of 438 MPa. Therefore, the heat exchanger during operation was safe.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P429-431,473)【关键词】机械载荷;热载荷;强度分析;应力评定【作者】盖超会;高兴;刘俊;刘慧【作者单位】武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205;武汉工程大学，湖北武汉 430074;武汉工程大学，湖北武汉 430074;武汉工程大学，湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TQ051热交换器（即换热器）是一种转换冷热流体之间热量的设备。
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
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石 油 化 工 设 备 技 术
２０１８ 年
如图２所示.
图 １ 管 板 结 构 示 意
表 ２ 材 料 特 性
部件 管板 壳体 换热管
部件
管板 壳体 换热管
材质 Q３４５R Q３４５R ００Cr１７Ni１４Mo２ 弹 性 模 量/
MPa １．８３×１０５ １．８３×１０５ １．７８×１０５
目前,对换热 器 管 板 结 构 进 行 应 力 分 析 的 研 究已有较多成果.李子林等 应 【６】 用 ANSYS 软 件 对固定管板式换热器在机械载荷和温度载荷共同 作用下的应力强 度 进 行 分 析,并 对 危 险 截 面 进 行 强 度 校 核 ,得 出 应 在 不 同 危 险 工 况 下 ,对 换 热 器 不 同部位进行分析和评定才能保证其安全可靠运行 的结论;杨宏 悦 分 【７】 析 了 不 同 操 作 工 况 下 管 板 模 型的应力场,得出 除 了 筒 体 上 的 一 次 薄 膜 应 力 起 控制作用外,管板 的 强 度 控 制 因 素 是 位 于 管 板 与 筒体连接圆角过 渡 处 的 一 次 应 力 加 二 次 应 力,且 最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用的操作 工况下的结论;季维英 通 【８】 过建立包括壳体、管 束 在内的管板三维 实 体 有 限 元 模 型,将 法 兰 垫 片 用 等 效 的 均 布 比 压 来 代 替 ,分 析 了 管 板 在 包 括 开 工 、 正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和 稳态操作工 况 下 的 强 度 状 况.强 度 分 析 表 明,在 温度载荷及压力 载 荷 共 同 作 用 的 工 况 下,热 应 力 决定了整个管板系统的应力分布.根据分析结果
收 稿 日 期 :２０１８Ｇ０４Ｇ１８. 作者简介:陈一鸣,女,２０１７ 年 毕 业 于 青 岛 科 技 大 学 过 程 装 备与控制工 程 专 业,现 为 该 校 动 力 工 程 专 业 在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 从 事 化 工 机 械 设 备 方 面 的 研 究 工 作 . Email:qdcym０９＠１６３．com. 基金项目:山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (NO．ZR２０１８LE０１５): 错位桨搅拌假塑性流体流场混沌特性及其表征.
毕业设计(论文)换热器热应力耦合及有限元ansys分析
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。
在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。
为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。
因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。
传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。
随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。
结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。
ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。
关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite element；ANSYS；Heatsink目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论............................ .. (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机仿真技术的发展 (1)1.3 热分析方法的选择 (2)第二章课题相关知识介绍 (4)2.1散热片知识 (4)2.1.1散热片的材质比较 (4)散热片结构的设计 (4)2.2有限元分析理论与ANSYS (6)有限元分析理论 (6)有限元常用术语 (7)架构及命令 (7)分析典型过程与功能 (8)2.2.5 国内外发展状况 (9)有限元热分析原理 (9)第三章ANSYS三维模拟计算过程 (13)3.1 散热片模型及几何尺寸 (13)3.2 ANSYS有限元分析进程 (14)环境简介 (14)的建模过程 (15)操作条件的确定 (15)边界条件的确定 (15)计算结果与分析 (16)第四章结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)附录：散热片模型建模程序 (24)第一章绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。
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作者：杨翠娟来源：《名城绘》2019年第04期摘要：换热器设备在化工、石油、食品等多种工业生产中应用广泛。
在换热器制造过程中，管板与换热管之间的连接结构和连接质量一定程度上决定了换热器的质量优劣和使用寿命。
由于管板与换热管连接区域结构不连续，从而易产生各种连接质量问题，因此在危险工况下对管板与换热管连接部位进行应力分析和强度校核是十分必要的。
关键词：固定管板式换热器；管板；应力分析；强度评定目前，对换热器管板结构进行应力分析的研究已有较多成果。
应用ANSYS软件对固定管板式换热器在机械载荷和温度载荷共同作用下的应力强度进行分析，并对危险截面进行强度校核，得出应在不同危险工况下，对换热器不同部位进行分析和评定才能保证其安全可靠运行的结论；分析了不同操作工况下管板模型的应力场，得出除了筒体上的一次薄膜应力起控制作用外，管板的强度控制因素是位于管板与筒体连接圆角过渡处的一次应力加二次应力，且最大值发生在热载荷和壳程压力同时作用的操作工况下的结论；通过建立包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型，将法兰垫片用等效的均布比压来代替，分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。
1管板结构的静力分析在反映结构力学特性的前提下，模拟时进行以下简化：1）不考虑管板与换热管焊接热应力影响；2）不考虑管板与壳体的连接焊缝；3）不考虑管板兼做法兰螺栓对其的受力。
选择管板一侧面与所有换热管孔面施加450℃的温度载荷，并在该侧面施加2MPa的压力载荷；在管板另一侧面施加147℃的温度载荷和0.6MPa的压力载荷；沿半径方向，对换热器管板最外边缘施加全约束。
分析应力发现，该工况下管板结构的最大应力为46.9MPa，管板最大应力发生外侧管孔局部区域，其他区域应力值并不大。
采用管板材料为Q345R，450℃板厚为80mm的钢板许用应力为66MPa。
大型管壳式反应器管板有限元应力分析
大连 １ １ ６ ６ ０ ０
２ ０ １ ３年 第 ５期 （ 总 １ ５ ５期
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＿ｌ ｌ ｌ ０＿ ｌ 计算机疲用。 ｌ
温 、高 压 ，在 进行 应力 分析 时必 须 考虑 温度应 力 对 其结 构 的 影 响 ，即要 开 展压 应 力 一 热应 力 分 析 。然 而 ，对 承受高 温 、高压 的 大型换 热器 ，其 管板 的热 应力 情 况 十分 复 杂 ，只有 准确 求 出管 板 的温 度 场 ， 才能 得 到真实 的管 板热 应力 结果 ，从 而精 确地 进行 管板设 计 ，为 此采 用一个 合 适 的分析 模 型来模 拟实 际管 板 的热应 力场 是十 分必 要 的。本 文采 用有 限元
ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｖ ｅ ｒ ｙ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｉ ｆ ｘ ｅ ｄ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ － ａ ｎ ｄ — ｔ ｕ ｂ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ．
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ｌ － ａ ｎ ｄ － ｔ ｕ ｂ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ；ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ ；ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ（ Ｆ Ｅ Ａ ） ；ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
表 １ 设 计 基 本 参 数
表 ２ 工况类型及载荷数据
类 型 （ Ｍ 压 Ｐ 譬 ａ 程 ） （ Ｍ 压 Ｐ ａ （ ） ℃ ） （ ｑ ｃ ） 备 注 类 型 壳 程 （ Ｍ Ｐ 力 ａ ） 管 程 （ Ｍ 压 Ｐ ａ 力 ） 壳 程 温 （ ℃ 度 ） 管 程 温 （ ℃ 度 ） 备 … 注
换热器不同工况下管板的应力分析与评定
换热器不同工况下管板的应力分析与评定王琪$孙正硕$沈妍$赵振东$许春林％(1.江苏科技大学机械工程学院;2•张家港市江南锅炉压力容器有限公司)摘要使用ANSYS Workbench分析管板在管壳式换热器4种工况下压力载荷对应力分布的影响规律，并对比分析了温度载荷对管板应力分布的影响程度°结果表明：存在温度载荷的工况中，管板非布管区域应力较小且分布均匀，在换热管连接处应力最大；温度载荷对管板应力分布影响很大,螺栓预紧力也会对应力分布产生影响。
针对分析结果，将管板厚度由40mm减小至30mm后，管板应力依旧满足安全要求°关键词管壳式换热器管板应力分析与评定中图分类号TQ051.5文献标识码A 在现代工业生产制造中，存在着大量的热量转化过程,为提高能源利用率,研究高效安全的换热器是科技发展的必然结果"管壳式换热器具有结构简单、造价低、易选材、处理能力强、适应性强及清洗方便等特点，可用于高温高压工作环境，目前被广泛应用于石油、冶金、能源、动力及制冷等领域$$%"管壳式换热器中的管板将不同温度的工作介质分离,进而形成管程介质与壳程介质,并同时承受管程介质与壳程介质的压力。
管板还具有支撑管束布置换热管的作用"管程、壳程介质压力和温度载荷有不同的组合，不同载荷的组合对管板产生不同的影响，导致管板成为管壳式换热器中受力情况最为复杂的部件［2］"因此，国内外学者对管板进行了广泛研究，并颁布了一系列设计标准。
郝海波将标准计算得到的管板厚度进一步减小，并对减薄后的管板进行强度校核，在满足强度要求的情况下节约材料［3］"王战辉等在分析管板应力分布时，发现管板与其他部件连接处会出现较大应力，通过在其他部件与管板的连接处增加过渡圆角的方式，改善应力分布情况⑷。
笔者结合管板连接处的结构缺陷和螺栓预有限元改进文章编号0254-6094(2020)05-0639-06紧力,考虑应力分布的影响因素,对管板进行改进，将换热管连接处做倒角处理,减小管板厚度,从而达到安全与经济兼顾的效果。
换热器管板应力应变分析
2019年第17期广东化工第46卷总第403期·155·换热器管板应力应变分析魏欣，姜方圆(青岛市特种设备检验检测研究院，山东青岛266000)Stress and Strain Analysis of Heat Exchanger Tube and PlateWei Xin,Jiang Fangyuan(Qingdao special equipment inspection and testing institute,Qingdao 266000,China)Abstract:In this paper,the finite element software ANSYS Workbench 17.0is used to analyze the stress and strain of the tube-plate of u-tube heat exchanger under the condition of pipe pressure and shell-side interaction.The results show that the maximum strain of the tube sheet appears in the center of the tube sheet and decreases successively to the outer edge of the tube sheet.The maximum stress appears at the bolt hole where the tube plate is connected with the flange,and the other positions are more uniform,and the maximum value is 15.61Mpa.Keywords:Heat exchanger tube plate ；ANSYS ；Stress strain analysis在化工、石油和食品等多种工业生产中，换热设备担任着重要角色。
绕管式换热器管板的有限元应力分析与结构优化
绕管式换热器管板的有限元应力分析与结构优化陈杰;纪博文;庄大伟;鹿来运;张晓慧;丁国良【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2018(069)0z2【摘要】绕管式换热器广泛应用于大型天然气液化装置,而管板是绕管式换热器的重要组成部件.由于管板处于管程、壳程交界处且布有密集的孔洞,降低了结构强度,使其成为LNG绕管式换热器的相对薄弱部位.利用Ansys有限元计算软件,对LNG 绕管式换热器管板及其相连的管箱、换热器壳体进行整体建模和多工况下的有限元应力分析,并根据JB4732—1995进行强度校核.计算结果显示,换热器壳体对管箱短节部分的应力有较大影响;实例中换热器外壳的拉伸作用导致短节内侧局部薄膜应力过大,超出许用强度.增加短节厚度可以有效提高管箱强度;通过将原短节厚度由45 mm增加到57.5 mm,解决了局部薄膜应力过大的问题.【总页数】7页(P128-134)【作者】陈杰;纪博文;庄大伟;鹿来运;张晓慧;丁国良【作者单位】中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;中海油气电集团技术研发中心,北京 100027;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TQ051【相关文献】1.绕管式换热器管板有限元应力分析 [J], 占双林;冯义浩;李肖蔚2.绕管式换热器管板应力的实验研究 [J], 赵挺;杨仲民;丛敬同3.横摇工况下FLNG绕管式换热器降膜流动换热数值模拟研究 [J], 李玉星;刘亮;王少炜;朱建鲁;韩辉;孙崇正4.垂荡工况绕管式换热器壳侧流动沸腾换热特性实验研究 [J], 陈杰;李剑锐;密晓光;丁国良;胡海涛;丁超5.绕管式换热器局部结构强度数值模拟计算 [J], 张晓慧;密晓光;鹿来运;苏清博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
管板式换热器的有限元分析
１ 管 板 结 构 的 静 力 分 析
同 定 管 板 式 换 热 器 是 应 用 非 常 广 泛 的 管 壳 式 换 热
（ ２ ４ ６ ） 指 向压 力 ０ ． ６ ＭＰ ａ的 平 面 （ 标号 ７ １ ） ， 即 管 板 会 犟 现 出鼓 胀 的 形 态 。
器， 其优 点 是 结 构 简 单 、 紧凑 ， 能 承受 较 高 的 压 力 ， 造 价低 ， 管 程清洗方 便 ， 管 子损坏时 易于堵管 或更换 ； 缺 点 是 当管 束 与 壳 体 壁 温 或 者 材 料 的线 膨 胀 系 数 较 大 时 ，易 产 生 较 大 的 热 应 力ｌ ｌ Ｉ 。管 板 是 其 最 主 要 的 承 压 元 件 之 一 ， 管 板 与 换热管 、 管箱 、 简体等连在一起 ， 构 成 复 杂 的 弹性 体 系 。
【 ２ 】刘海 亮 ， 于洪杰 ， 徐鸿 ， 等． 高压 给 水加 热 器厚 管板 的 有 限 元 分
处位 移越 大 ， 南于 管 板 径 向 最 外 侧 受 全 约 束 限制 ， 在 热 应
力 和 压 力 的共 同 作 用 下 ，从 圆心 沿 径 向 方 向位 移 逐 渐 变 小 ，位 移 方 向沿 Ｚ轴 方 向 从施 加 压 力 ２ ． ０ ＭＰ ａ的 平 面
屏 幕 上 将 显示 该 管 板 模 型 的 应 力 场 分 布 ， 如 图 ２所 示 。
３ ． ２ 管 板位 移 有 限元 计算 结果 分析
位 移分析 ： 最 大位移为 ０ ． ４ ２ ２ ｘ １ ０ ｍ， 越 靠 近 管 板 圆心
图 ２ 管 板 应 力 分 布 图
参考文献 ：
… 龙述 尧， 有 限元 法 实 用教 程 【 Ｍ】 ｌ 湖南： 湖 南 大 学 出版 社 ， ２ 【 ｌ （ １ ４ ．
固定管板式换热器有限元分析及应力评定
第３ ４卷 第 １ 期
２ ０ １ ３ 年 ２月
应用研究
固定 管板式换热器有 限元分析及应 力评定
李 子林 盛 斌 臧 国强
（ 江苏双 良锅炉有限公司）
摘
要
利 用有 限元分 析软 件 Ａ ＮＳ ＹＳ ， 对某 固定 管板 式换 热 器在机 械 载荷 和 温度栽 荷 共 同作
李 子林 ，男 ，１ ９ ８ １ 年生 ，工程师。江 阴市 ，２ １ ４ ４ ４ ４ 。
某工程应用中的卧式 固定管板换热器 ，管程简 体 、管板和换热管的材料 均为 ０ Ｃ ｒ ｌ ７ Ｎ ｉ ｌ ２ Ｍ ｏ ２ ，壳
程筒体材料为 １ ６ Ｍ ｎ Ｒ，保温层材料为岩棉 。管板
直径为 ８ ４ ０ ｍ ｍ，换热管长度为 ５ ０ ０ ０ ｍ ｍ 。壳程设
１ 机 械应 力分 析
固定管 板式换 热 器是应 用非 常广 泛 的管壳 式换
热器 ，管板是其最主要的承压元件之一。管板 与换
热管 、管箱 、筒体等连在一起 ，构成复杂 的弹性体 系。管板对整台换热器的安全性和经济性有着非常 重要 的影 响。常规 的计算方法是 根据弹性 薄壳理
论 Ｉ ｌ Ｊ ，用等效无孔实心板来代替多孔管板 ， 采用 比 较简单 的公式 、曲线 、图表进行设计计算 。但没有 考虑管板上各点的温度差引起的应力 ，同时还受到 换热器规模 的限制。 近年来 ，随着有限元技术的进步 ，特别是一些
ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ ，ａ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｈ ｅ ｃ ｋ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ
绕管式换热器管板有限元应力分析
绕管式换热器管板有限元应力分析占双林;冯义浩;李肖蔚【摘要】由于绕管式换热器管板计算尚无成熟的方法和标准，本文采用有限元应力分析法对绕管式换热器管板进行了分析计算，得到了其受力特性和应力分布规律，并对该管板进行了应力强度评定。
【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)008【总页数】4页(P10-13)【关键词】绕管式换热器;管板;有限元;应力分析【作者】占双林;冯义浩;李肖蔚【作者单位】中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085;中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085;中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085【正文语种】中文绕管式换热器即缠绕管式换热器，是管壳式换热器中的一种，主要由壳程筒体和管束组成。
缠绕管式换热器的结构特点是将多层螺旋状的换热管缠绕在管板中部的芯筒上而形成。
对于一般管壳式换热器中的固定管板换热器，通常管板计算时需考虑换热管对管板的支承作用和热膨胀引起的管壳膨胀差；对于U形管换热器，由于换热管一端固定，另一端可自由膨胀，其管板计算不考虑换热管对管板的支承作用和管壳膨胀差。
绕管式换热器的管板受力状态介于二者之间，由于绕管束具有一定的弹性，即能在壳体内伸缩吸收一定的热膨胀和约束力。
目前这种结构管板计算尚无成熟方法和标准，近似等效为U形管式换热器管板的计算模型，既不能反映实际受力情况，也无确定这种结构最大应力产生部位及其应力值，因此导致管板计算厚度过厚而造成锻件成本增加。
本文采用有限元方法对某项目绕管式换热器管板建立了合适的有限元模型，并进行了详细的应力分析。
某项目绕管式换热器基本设计参数及几何参数见表1和表2。
本换热器基本几何参数见表2。
2.1 模型简化方法根据绕管换热器管板结构的特点，有限元模型作如下简化：（1）根据结构的对称性及支撑特性，有限元模型取该换热器轴向长度的一半建立模型，换热器轴线的中垂面为对称面；（2）缠绕的换热管实际对中垂面不具有对称性，由于其对管板的支撑作用主要为轴向刚度，因此可认为换热管具有中垂面对称性。
管壳式换热器有限元分析及安全评定
- 11 -第4期管壳式换热器有限元分析及安全评定李敏，李敬（山东华鲁恒升化工股份有限公司， 山东 德州 253000）[摘 要] 换热器在运行工况下受到的机械载荷及温度的影响是混合作用的。
作者应用有限元软件对管壳式换热器受到的机械载荷及温度影响进行了分析，得出结论：热应力决定了该工况下整个换热器应力的强度、形态及分布，机械载荷影响着换热器的不同部位，且效果不同。
[关键词] 管壳式换热器；机械载荷；温度；运行工况作者简介：李敏（1976—），男，山东泰安人，大学本科，工程师。
山东华鲁恒升化工股份有限公司见习主任工程师。
图1 强力云图管板应力换热器主要受温度及机械载荷的影响。
温度及机械载荷会分别引起热应力和机械载荷应力的变化。
机械载荷包括管程和壳程压力，机械载荷与热应力遵循不同的安全判据。
不过在实际的换热器运行中，温度和压力是同时存在的。
1 加载与求解在此工况下对管板分别加载1.14M P a 和0.26M P a 的压力，对进口和出口端筒体施加1.14MPa 压力，对换热器壳体上施加0.26MPa 的压力，不施加任何温度载荷。
如图1、图2所示。
图2 路径图1.1 结果分析在机械载荷作用下，管板的应力云图出现有规律的变化，在管板厚度上的应力是连续变化的，未出现明显分层；管板径向应力沿管板边缘中央变大，而应力集中主要存在于管板与管程筒体、壳程筒体相连接的部位。
应力的最大值一般出现在管程筒体与管板连接的周向处，应力最大值一般为30.32MPa 。
由此可见，选取path23、path24和path25路径进行线性化分析[1]。
(1)路径path23分析路径Path23是在管板从管到壳的轴线方向截取的[2]。
堆焊层厚度为3mm ，如图3所示。
图3 Path23应力变化- 12 -论文广场石油和化工设备2020年第23卷图4 Path23热应力变化如图3所示，在path23路径中应力先减后增。
在管程侧压力为1.14MPa ，应力随厚度增加而减小。
基于ANSYS的双换热管双管板换热器应力分析与评定
基于ANSYS的双换热管双管板换热器应力分析与评定刘莺歌【摘要】采用有限元分析方法,利用ANSYS软件对某带膨胀节双换热管双管板换热器工作应力进行了分析,并以最危险工况为例给出了相关计算结果,并根据计算结果对换热器各原件进行了应力强度校核与评定,为该类型换热器的设计与优化提供了一种新思路,并给出了具体的实施方法,对相关领域的研究人员具有一定的指导意义.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2018(000)011【总页数】4页(P97-99,101)【关键词】双换热管双管板换热器;ANSYS应力分析强度校核【作者】刘莺歌【作者单位】风凯换热器制造(常州)有限公司,常州 213164【正文语种】中文管壳式换热器广泛应用于工业冷热介质热交换作业中，泄漏是换热设备常见的故障之一，一旦发生泄漏，会造成参与换热的两种介质相互接触[1]。
在一般的化工工艺中，换热器发生少量泄漏通常是允许的，但在多晶硅、有机硅和氟化工等特殊场合中，要求参与换热的两种介质绝对不能接触，否则不仅会对设备造成算还，严重时还会引发灾难性事故。
因此，近年来相关领域技术人员开发了一种新型的双换热管双管板换热器，该换热器两端分别布置有两块管板，另外每根换热管均是由套在一起的两根管子组成，这种特殊的结构可以有效阻止换热器冷、热介质因各种泄露而发生的接触，保证设备的安全[2]。
目前国内外对热换器的研究主要集中在结构选择、双套管型式、传热分析以及泄漏监测等方面，在管板强度设计等方面研究还比较欠缺，尚未形成严格的设计体系与标准，这导致很多热换器设计主要依靠工程经验或者实验验证来完成[3-5]。
本文对该新型换热器的结构进行研究，采用有限元分析方法，利用ANSYS技术对某带膨胀节的双换热管双管板换热器进行应力分析与评定，旨在为换热器设计寻找一种可靠的强度计算方法。
1 双换热管双管板换热器结构介绍双换热管双管板换热器结构如图1所示。
该换热器的两端分别布置两块管板，即外管板和内管板，两块管板之间存在间隙并安装膨胀节。
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。
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。
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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。
创建实体模型如图1所示。
图1 实体模型3.1.1.2有限元模型采用8节点SOLID185单元对上管板实体模型进行网格划分，其中，锥壳、中心筒及换热管沿轴向靠近管板处网格较密，远离管板处网格较稀疏，且圆筒与锥壳连接处网格划分较密。
划分后的有限元模型如图2所示，有限元模型合计节点数170924，单元数123220。
图2 有限元模型3.1.1.3边界条件在位移边界条件处理上，对上管板结构对称面施加对称约束，并约束圆筒端面轴向位移，七种工况下的位移边界条件保持一致。
根据不同的分析工况，施加相应的载荷，其中包括管程一压力、管程二压力和壳程压力，同时考虑垫片力和螺栓载荷。
在各工况下上管板结构的力学模型如图3所示。
工况一工况二工况三工况四工况五工况六工况七图3 不同工况下上管板结构的力学模型3.1.1.4 计算结果各工况对应的TRESCA应力云图如图4.1至图4.7所示。
图4.1 工况一模型总体TRESCA应力云图图4.2 工况二模型总体TRESCA应力云图图4.3 工况三模型总体TRESCA应力云图图4.4 工况四模型总体TRESCA应力云图图4.5 工况五模型总体TRESCA应力云图图4.6 工况六模型总体TRESCA应力云图图4.7 工况七模型总体TRESCA应力云图3.1.1.5 强度评定根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计规》(2005确认)进行应力强度评定。
主应力差： S12=σ1-σ2S23=σ2-σ3S 31=σ3-σ1应力强度：S=Max{|S 12|,|S 23|,|S 31|}一次总体薄膜应力强度极限为m S ，一次局部薄膜应力强度极限为1.5m S ，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5m S ，一次加二次应力强度极限为3.0m S 。
m S 为许用应力强度。
工况一：由图 4.1可知，结构的当量应力最大值约为99.4MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况二：由图 4.2可知，结构的当量应力最大值约为87.0MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况三：由图 4.3可知，结构的当量应力最大值约为65.3MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况四：由图 4.4可知，结构的当量应力最大值约为144.6MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况五：由图 4.5可知，结构的当量应力最大值约为170.4MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况六：由图 4.6可知，结构的当量应力最大值约为156.4MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况七：由图4.7可知，结构的当量应力最大值约为208.7MPa ，位于上管板与锥壳连接处侧，根据该模型的应力分布特点，选取如下路径进行应力评定，位置如图5所示。
图5 工况七应力评定路径图路径1-1至路径3-3应力线性化结果分析如表6所示，其应力评定数值结果见附录二。
表6工况七各路径评定结果路径应力分类强度校核评定结果1-1一次局部薄膜应力MPaSMPaSmII5.2055.135.22=<=通过一次+二次应力MPaSMPaSmIV411349.63=<=2-2一次局部薄膜应力MPaSMPaSmII5.2055.121.59=<=一次＋二次应力MPaSMPaSmIV41133.118=<=3-3一次局部薄膜应力MPaSMPaSmII5.2055.18.97=<=一次＋二次应力MPaSMPaSmIV41133.183=<=3.1.2 第二级中间管板有限元分析3.1.2.1 实体模型由于第二级中间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、第二级中间管板、补强圈、焊缝、换热管和锥壳，壳程圆筒、锥壳长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1500mm，锥壳长度为1200 mm，同时取伸出管板的换热管长度为100mm。
创建实体模型如图6所示。
图6 实体模型3.1.2.2 有限元模型采用8节点SOLID185单元对第二级中间管板实体模型进行网格划分，管板、补强圈与筒体连接处网格划分较密，划分后的有限元模型如图7所示，有限元模型合计节点数330794，单元数261204。
图7 有限元模型3.1.2.3 边界条件在位移边界条件处理上，对第二级中间管板结构对称面施加对称约束，并约束壳程锥壳端面轴向位移，七种工况下的位移边界条件保持一致。
根据不同的分析工况，施加相应的载荷，其中包括管程一压力、管程二压力、壳程压力和壳程圆筒端面平衡面载荷，同时考虑垫片力和螺栓载荷。
在各工况下第二级中间管板结构的力学模型如图8所示。
工况一工况二工况三工况四工况五工况六工况七图8 不同工况下第二级中间管板结构的力学模型3.1.2.4 计算结果各工况对应的TRESCA应力云图如图9.1至图9.7所示。
图9.1 工况一模型总体TRESCA应力云图图9.2 工况二模型总体TRESCA应力云图图9.3 工况三模型总体TRESCA应力云图图9.4 工况四模型总体TRESCA应力云图图9.5 工况五模型总体TRESCA应力云图图9.6 工况六模型总体TRESCA 应力云图图9.7 工况七模型总体TRESCA 应力云图3.1.2.5 强度评定工况一：由图9.1可知，结构的当量应力最大值约为159.4MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况二：由图9.2可知，结构的当量应力最大值约为116.5MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况三：由图9.3可知，结构的当量应力最大值约为87.2MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况四：由图9.4可知，结构的当量应力最大值约为116.2MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况五：由图9.5可知，结构的当量应力最大值约为177.4MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况六：由图9.6可知，结构的当量应力最大值约为157.3MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
工况七：由图9.7可知，结构的当量应力最大值约为175.2MPa ，小于MPa S m 5.2055.1=，强度条件m II S S 5.1<，m IV S S 3<自动满足。
3.2 第一级管板有限元分析3.2.1 第一级中间管板有限元分析3.2.1.1 实体模型由于第一级中间管板结构和载荷的对称性，创建1/3实体模型，包括锥壳、第一级中间管板、补强圈、焊缝、换热管和壳程圆筒，壳程圆筒、锥壳长度应远大于其边缘应力衰减长度，可取圆筒长度为1500mm ，锥壳长度为1200 mm ，同时取伸出管板的换热管长度为100mm 。
创建实体模型如图10所示。
图10 实体模型3.2.1.2 有限元模型采用8节点SOLID185单元对第一级中间管板实体模型进行网格划分，管板、补强圈与筒体连接处网格划分较密，划分后的有限元模型如图11所示，有限元模型合计节点数775471，单元数591756。
图11 有限元模型3.2.1.3 边界条件在位移边界条件处理上，对第一级中间管板结构对称面施加对称约束，并约束壳程筒体端面轴向位移，在各种工况下约束一致。
根据不同的分析工况，施加相应的载荷，其中包括管程一压力、管程二压力、管程三压力、壳程压力和锥壳端面平衡面载荷，同时考虑垫片力和螺栓载荷。