（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京）利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)扭管式換熱器管板在三種工況下的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，分析了軸向剛度弱化的影響扭管對(duì)管板應(yīng)力強(qiáng)度的影響系數(shù)及軸向應(yīng)力對(duì)扭管的影響。 結(jié)果表明，扭絞管的軸向變形補(bǔ)償能力比普通直管差，可以降低管板在溫差載荷作用下的應(yīng)力，但會(huì)增加管子的分布不均受壓截面，局部軸向應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力水平，因此扭絞管的抗疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂能力不如直管。 不同厚度的管板受扭曲管束軸向剛度的影響不同，管板厚度越小，彎曲管束的軸向剛度受到的影響越大。 關(guān)鍵詞：扭管； 有限元; 應(yīng)力強(qiáng)度 CLC 編號(hào)：文檔代碼：文章編號(hào)：：。 ，，，， 中國(guó)）：。 ． ,,. ，發(fā)束，-s。 , heet, -:;;s; 基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（）CPVT扭管式換熱器管板有限元分析Vol31． 引言傳熱過程是石油和化工行業(yè)中必不可少的環(huán)節(jié)。 分別計(jì)算了如何在保證安全可靠的前提下提高30、40、50mm管板的傳熱性能換熱器管板與不銹鋼換熱管，并比較了扭曲管束對(duì)不同厚度管板強(qiáng)度的影響程度。

同時(shí)選用了一系列具有軸向剛度弱化系數(shù)的絞管（絞管剛度弱化系數(shù)表示設(shè)備的傳熱性能因直管軸向剛度減弱而減弱加工成扭絞管后，強(qiáng)調(diào)低碳環(huán)保，在越來越嚴(yán)重的今天，其中，近年來出現(xiàn)了很多強(qiáng)化傳熱的換熱管型式，扭絞管就是其中一種對(duì)它們進(jìn)行了改進(jìn)，具有強(qiáng)化傳熱、減少結(jié)垢、管束間自支撐、無折流板元件、節(jié)省空間、同時(shí)可以克服誘發(fā)振動(dòng)等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于商業(yè)機(jī)密等原因，國(guó)外關(guān)于扭管換熱器的研究文獻(xiàn)很少，20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)學(xué)者對(duì)扭管換熱器進(jìn)行了一些理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，但這些研究都集中在扭管換熱器的傳熱和流阻性能上，而對(duì)扭管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承壓能力的報(bào)道較少，其軸向剛度低于直管管子。 因此，扭管對(duì)管板的支撐作用也不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器。 本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)扭絞管換熱器管板組件進(jìn)行受力分析，并對(duì)不同軸向剛度的扭絞管與管板進(jìn)行對(duì)比。 同時(shí)指出了扭管式換熱器在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題。 扭管式換熱器的結(jié)構(gòu)主要由管程箱體、殼程殼體、管板和管束組成。 普通固定管板換熱器基本相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：絞管式換熱器的換熱管為截面為橢圓形或長(zhǎng)方形的螺旋管，具有強(qiáng)化傳熱特性； 管束之間無需設(shè)置擋板，擋板自承。

同時(shí)，管程和殼程流體分別在螺旋管內(nèi)和管間的螺旋流道內(nèi)流動(dòng)。 流體呈螺旋運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了湍流程度，基本消除了流動(dòng)死區(qū)。 具有自潔特性700mm，壁厚10mm，材質(zhì)Q345R； 換熱管長(zhǎng)度為344，材質(zhì)為16Mn鍛件。 考慮到不同厚度的管板由于其剛度不同可能會(huì)受到扭絞管束軸向剛度的影響不同，本文將厚度為20、42且剛度相同的扭絞管板的應(yīng)力減弱對(duì)系數(shù)進(jìn)行分析，并將其納入扭管式換熱器管板的有限元模型中。 本文主要分析扭管式換熱器管板組件的應(yīng)力強(qiáng)度，故僅選取換熱器的管板、殼程筒體和管束建立有限元模型，其中管子-片材部分采用實(shí)體造型，網(wǎng)格劃分為單元； 由于殼程筒體和絞合管束為薄壁結(jié)構(gòu)，且換熱管數(shù)量多，殼程筒體和絞合管束采用單元網(wǎng)格劃分，實(shí)體單元和殼單元為使用 MPC 方法 [10] 連接。 忽略換熱管在管側(cè)的延伸長(zhǎng)度，認(rèn)為管子與管板直接連接為一個(gè)整體。 由于固定管板殼管式換熱器結(jié)構(gòu)整體對(duì)稱，本文選取換熱器結(jié)構(gòu)建立有限元模型[11]。 有限元幾何模型對(duì)有限元幾何模型的每個(gè)對(duì)稱平面施加對(duì)稱約束。

由于扭管為螺旋結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)度方向上不可能是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在提取扭管應(yīng)力結(jié)果時(shí)，避開了施加對(duì)稱約束的扭管端部。 本文考察了管程壓力、殼程壓力和溫差載荷的單一效應(yīng)，單位為MPa，殼程壓力MPa，管程設(shè)計(jì)溫度為70℃，溫度為120℃，熱平均溫度交換管束金屬為 54 °C。 筒體金屬平均溫度為92℃，扭管內(nèi)側(cè)承受管程壓力，殼程筒體和扭管外側(cè)承受殼程壓力，工況下墊片壓縮力為應(yīng)用于法蘭密封面； 殼程溫度施加于殼程，環(huán)境溫度施加于管板外側(cè)。 對(duì)管板進(jìn)行了徑向應(yīng)力分析計(jì)算，得到了該工況下管板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。 為了進(jìn)一步分析管板各部分沿管板厚度方向的應(yīng)力，根據(jù)壓力容器分析設(shè)計(jì)的方法，將管板沿厚度方向的應(yīng)力以應(yīng)力強(qiáng)度為參數(shù)進(jìn)行線性化處理. 為此，在模型上定義了3條路徑，分別位于管板中心、配管區(qū)域、非配管區(qū)域、管板與殼筒連接區(qū)域，如圖圖。 通過比較薄膜應(yīng)力和管板路徑上的彎曲應(yīng)力的大小，分析了扭曲管的軸向剛度對(duì)管板強(qiáng)度的影響。 厚度為30 mm時(shí)，可以看出，對(duì)于本文所研究的換熱器，當(dāng)只有溫差載荷作用時(shí)，扭管的軸向剛度下降（SINT），并且這種影響隨著軸向剛度的增加而減小。系數(shù)越小，越明顯。 這是因?yàn)榕で艿淖冃窝a(bǔ)償能力會(huì)隨著其軸向剛度的降低而增加，而溫差應(yīng)力是由于管側(cè)溫差和金屬熱變形的差異引起的。殼面。 因此，扭曲管的變形補(bǔ)償能力可以降低管束系統(tǒng)熱變形的不協(xié)調(diào)程度，提高管板的受力。

僅受溫差載荷影響時(shí)，管板應(yīng)力強(qiáng)度隨扭管剛度弱化系數(shù)的變化而變化。 強(qiáng)度隨扭管剛度弱化系數(shù)的變化 43 CPVT 扭管換熱器管板有限元分析 Vol31. 管板的應(yīng)力強(qiáng)度隨著扭管軸向剛度的降低而增大，特別是在鋪管區(qū)和非鋪管區(qū)（路徑。承載能力強(qiáng)，但其對(duì)管板的支撐作用也必須降低. 管板中心的應(yīng)力強(qiáng)度幾乎不變，因?yàn)橹車苁闹巫饔米銐虼?。普通的固定管板換熱器，由于管子的金屬截面是相等的，扭管的平均應(yīng)力與普通直管相差不大。同理，以殼程壓力單獨(dú)作用的情況為例例如，扭管和直管都在管殼與管板連接處附近的管束外側(cè)承受壓應(yīng)力，在管中心附近的管束內(nèi)側(cè)承受拉應(yīng)力然而，扭管軸向應(yīng)力在管截面上分布不均勻，且這種不均勻程度隨著扭管軸向剛度弱化系數(shù)的減小而增大，使得局部軸向應(yīng)力扭管的軸向平均應(yīng)力要高得多。

計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，扭管的捻比越大，導(dǎo)程越小，扭管的軸向應(yīng)力分布越不均勻，這主要是扭管特殊的幾何形狀造成的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)扭管式換熱器一方面要考慮扭管的強(qiáng)化傳熱效果； 另一方面，要控制扭管的局部高應(yīng)力，使其不超過材料的允許極限，以免發(fā)生開裂或疲勞或應(yīng)力腐蝕失效。 捻比和引線參數(shù)非常重要。 圖 6和圖 7分別為普通直管和帶剛度弱化系數(shù)的扭管在單獨(dú)殼程壓力作用下的軸向應(yīng)力分布。 僅施加殼側(cè)壓力時(shí)普通直管中的軸向應(yīng)力分布 44 僅施加殼側(cè)壓力時(shí)扭曲管中的軸向應(yīng)力分布 管板軸向剛度對(duì)不同厚度管板強(qiáng)度的影響不同，并選擇扭曲比為0。對(duì)板厚為20、30、40、50 mm的扭曲管換熱器模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到受影響最大的管板管道的薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力值以與普通直管換熱器為例，三種工況下的對(duì)比結(jié)果如圖10所示。當(dāng)僅承受溫差載荷時(shí)，管板的應(yīng)力強(qiáng)度隨厚度變化的管板。 可以看出，當(dāng)只承受溫差載荷時(shí)，對(duì)于任意厚度的管板，與普通直管相比，扭管可以減小管板的厚度。 管板上的應(yīng)力強(qiáng)度大，管板厚度越小，壓下程度越大。

從圖9和圖10可以看出，當(dāng)只施加壓力載荷時(shí)，對(duì)于任意厚度的管板，與普通直管相比，扭管可以增加管板上的應(yīng)力強(qiáng)度，厚度管板增加值越小換熱器管板與不銹鋼換熱管，差異越大。 原因是管板厚度越小，管束的支撐作用越突出。 10 僅在管側(cè)受壓時(shí)，由于扭管的軸向剛度較小，管板的應(yīng)力強(qiáng)度高于普通直管。 如果管板的應(yīng)力是由溫差載荷引起的，采用扭絞管作為換熱管可以改善管板的應(yīng)力； 如果管板應(yīng)力是由壓力載荷引起的，使用扭管作為換熱管會(huì)增加管板的應(yīng)力； 扭管上的平均應(yīng)力與普通直管相差不大，受力趨勢(shì)相同； 然而，扭絞管的軸向應(yīng)力在管子截面上分布不均勻，局部軸向應(yīng)力遠(yuǎn)高于平均應(yīng)力水平，這意味著扭絞管的管材抗疲勞和應(yīng)力腐蝕的能力開裂不如直管。 因此，螺旋管的設(shè)計(jì)不僅要考慮強(qiáng)化傳熱的效果，還要考慮強(qiáng)度的弱化程度； 不同厚度的管板受扭曲管束軸向剛度的影響不同。 當(dāng)管板厚度較小時(shí)，扭曲管束的軸向剛度影響較大。 參考文獻(xiàn)：螺旋扭曲扁管換熱器的研究進(jìn)展及工業(yè)應(yīng)用［J］． 流體機(jī)械, 2010, 38 扭曲管內(nèi)傳熱與流動(dòng)特性的數(shù)值模擬［J］． 流體機(jī)械, 2012, 40 新型高效絞管雙殼換熱器的研制［J］． 壓力容器，2014，31 侯銀燕，李偉。 水平螺旋扁管內(nèi)含氣汽油蒸氣冷凝螺旋絞扁管換熱器殼程湍流傳熱數(shù)值分析［J］． 火力發(fā)電，2007 扭曲橢圓管換熱器殼程強(qiáng)化傳熱特性［J］． 化學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 63 波紋管換熱器管板強(qiáng)度計(jì)算方法［J］． 壓力容器，2007，24 過程裝備與控制工程，第十三屆全國(guó)高中過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)與研究交流會(huì)論文集 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013 多點(diǎn)約束（MPC）方法與變換整體有限元加熱器分析［J］． 壓力容器，2013，30 [11] 胡錫文，林興華． 管殼式換熱器管板有限元分析 收稿日期：2014年17 修訂日期：2014年20 作者簡(jiǎn)，女，主要從事壓力容器安全可靠性研究，通訊地址：朝陽區(qū)北三環(huán), 北京化工大學(xué)北京機(jī)電工程學(xué)院, 北京東路15號(hào), Email: com. 45