管壳式换热器温度载荷下的强度研究

（链接）一直是在化工、石油、轻工、能源等领域使用最广泛的换热设施之一，管换器用选材范围较广，换热管表面容易清洗，能适用于各种环境，工作处理能力较强，可以承受较高温度和压力等优势。管换器的工作结构就是根据GB151［1］来进行设计的，而GB151 里面有关换热器管板强度校核则是依据弹性基础上的薄板理论，也就是在相同的轴对称结构的要求之下，把薄板的三维变形简洁成二维梁式变形，并且用这个来计算它的强度。一般在换热器壳体厚度的选购上，一般都是依据壳体受到多少壳程压力来进行选择的。 

由于管壳式换热器的运行特点，所以不但要受到管程压力和壳程压力的载荷作用，而且还会承受到工作流体给予的温度载荷。在GB151 当中对于这么多压力载荷，都给出了外部管壳和换热管板的适用大小体积，还有换热板管和包括法兰的管板与外部壳体的连接方式，但是，换热器在温度载荷的情况下，这些数据都没有很严格的标准和要求。 
而本文就是依据一个管壳式换热器的强度校核得出的数据，把载荷划分为压力载荷和温度载荷的目的，就是用来讲解管换器工作物理结构在这俩种载荷的压力下的响应特点，并且会进一步说明该结构应该怎么样去改进。本篇文章使用三维有限元的讲解方式，来探寻其内部的规律。

 
换热器结构大小和载荷情况
BEM型换热器结构，管板上共有500 支管子，均匀的分布在换热管板的上半部分。结构大小和材料的选择：管板厚度：80mm；管板内径：1300 mm；法兰外径：1460 mm；管板材料：00Cr19Ni10；壳体厚度：24mm。 
为了计算简单，在设置有限元模型的时候，只研究换热器的管板、壳体、管束和膨胀节等重要部件，其他的都使用相同效果的均布比压来替换。 
因为一般换热器结构都是对称的，所以不需要选择全部及其只选它整个体积的四分之一就可以了，然后换热管的大小取平均值。因为管是细长的，可以使用杆单元来代替。这样的办法对换热管周围的换热管板受到的应力的作用计算不准，不过，实际情况下要顾及换热管和换热管板之间的胀焊连接，导致这个部位的真实应力不容易计算准确。依据圣维南原理，可以知道这里的应力计算数值对其他地方的非布管区管板的计算没有影响。 
要是按照正常操作工况为校核的情况下，那么它的数值是：壳程压力：Ps .= -0.1 MPa；壳程温度：Ts=230℃；管程压力：Pt =0.2MPa；管程温度：Tt=50℃；管板温度：T=140℃；法兰垫片压力：Pc=69MPa；法兰螺栓预紧力：116.5kN。 
因为换热板管上的角孔面积占换热管板总面积5%，因此我们可以不去考虑当量压力与管程压力之间的区别。 然后依据管壳式换热器（链接）正常使用下其载荷温度的具体数据，可以得出它的主要位置在，在整个换热器的下半部分，我们知道换热管板中截面位置的温度是40 ℃，管板与换热管的膨胀节部位温度是230 ℃，而结构的上半部分，同一部位的温度分别是120℃和200 ℃。 

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