一种特殊换热器结构-高压快冷器的应力分析计算

1）管板应力分析、强度校核与结构优化；

2）锥体上接管大开孔补强应力分析与强度校核；

3）膨胀节的伸缩量能否满足管壳程伸缩量的要求。

工况条件按JB4732-2005《钢制压力容器—分析设计标准》、GB151《钢制管壳式换热器》、GB150《钢制压力容器》等标准；强度按JB4732-2005《钢制压力容器—分析设计标准》进行校核。主要考虑工作压力、温差载荷等载荷作用，对管程、壳程设计工况的6个组合工况分别进行计算分析。结果表明：在各计算工况下换热器管板强度、开孔补强及膨胀节的变形量均满足设计要求。

该高压快冷器主要由壳程、管程、管板、管箱和换热管组成。管程流体采用锥体作为进出口，在锥体管箱上各开有一个人孔，其人孔中心线与锥壳法线方向呈30的夹角，在人孔开孔区域采用补强圈补强。此高压快冷器设计的创新点在于管板上换热管的布管，换热管的结构与布管形式如下图所示，换热管布置在管板的外环区域，管板的中心区域并不布管，与常规换热器布管截然不同。

高压快冷器结构和布管示意

针对该换热器的结构特点，综合考虑需要进行强度分析的关键部位、需要进行分析的类型、有限元模型建立的准确性和合理性、计算的复杂性和有效性、后处理的简便和可操作性等方面，对该换热器分别进行了3个局部有限元模型进行分析计算，如下图所示：

上管板组合结构局部有限元模型

下管板组合结构局部有限元模型

锥壳上大开孔补强有限元模型

根据计算任务和计算特点，该高压快冷器的有限元建模及网格划分，主要特点如下：

1）模型建立及求解采用APDL(参数化设计语言)，便于模型的修改，为结构的优化改进提供便利；

2）分析类型为热—机构耦合场分析，采用具有耦合自由的solid5单元进行结构的网格划分及求解；

3）网格全部采用六面体单元，该单元相比于四面体具有单元、节点数目少，求解(收敛)速度快等优点；

4）对于该有限元分析模型较大，单元数目接近上百万，采用PCG(预条件共轭梯度)求解器，该求解器特别擅长于处理大规模的有限元问题；

5）严格控制单元能量误差，最大单元能量误差不超过0.5%。

上管板强度分析模型的网格共划分540748个单元，1045544个节点；下管板强度分析模型的网格共划分528566个单元，869541个节点。网格划分模型如下图所示：

上管板有限元模型网格划分

下管板有限元模型网格划分

基本设计参数如下表所示：

根据该快冷器运行时可能出现的状况并结合相关标准要求，管板强度分析确定3个工况6种情况的计算：

工况1：管程不工作，壳程内压正常，计入膨胀变形差；

工况2：管程不工作，壳程内压正常，不计膨胀变形差；

工况3：管程内压正常，壳程不工作，计入膨胀变形差；

工况4：管程内压正常，壳程不工作，不计膨胀变形差；

工况5：管程内压正常，壳程内压正常，计入膨胀变形差；

工况6：管程内压正常，壳程内压正常，不计膨胀变形差。

该换热器管板有限分析计算中，考虑了换热管与管板的连接型式及换热管与管板的相互影响，管板区域的换热管分为两段，分别考虑了换热管与管板的焊接区域与胀接区域，焊接区域将管板与换热管设置成共节点，胀接区域将换热管与管板设置为接触分析。

限于文章篇幅有限，仅列出上管板模型在工况1条件下的应力计算结果，如下图所示：

工况1条件下上管板有限元模型应力计算结果

根据相关标准要求及有限元模型应力计算结果，对该模型应力比较大的重点关注区域定义了3条路径进行评定，自定义路径及相关路径上的应力分布曲线如下图所示：

应力评定路径示意图

某两条路径上的应力分布曲线

按照前述工况分析，经分析计算，结果表明，管板、膨胀节、管板与换热管的焊接结构强度均合格，锥体上人孔按原图补强校核不合格，经与委托方协商，将人孔接管、补强圈结构进行了优化调整并经强度校核通过。

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