应力分析在换热器设计上的应用

1，常规设计

GB/T 151-2014《热交换器》中对换热器的计算，是以弹性基础上的受管孔均匀削弱的当量圆平板为依据进行的，对于换热管与管板连接接头的计算以及拉脱力的评定，GB/T151-2014标准采用公式法，拉脱力计算公式如下：q=σ_tα/πdl，计算结果应满足| q|≤[ q ]，其中：σ_t为换热管轴向应力；α为单根换热管管壁金属的横截面积；d为换热管外径；l为换热管与管板胀接长度或焊脚高度。原GB 151-1999《管壳式换热器》的适用范围是公称直径不大于2600mm，设计压力MPa和公称直径mm的乘积不大于1.75×10⁴。GB/T151-2014《热交换器》中管壳式热交换器适用的公称直径不大于4000mm，设计压力MPa和公称直径mm的乘积不大于2.7×10⁴。上述拉脱力的计算校核，对于小直径、压力低的换热器，是能够满足要求的，但对于直径较大，压力较高的换热器，该理论计算公式就和实际应力分析有很大误差。

2，分析设计

以某换热器为例：管壳程直径3500mm，管程压力3.5MPa，壳程压力0.7MPa，管程设计温度350℃，壳程设计温度为300℃，换热管长度为9m，材料均为碳钢，在使用过程中出现换热管与管板焊接接头开裂泄漏。换热管与管板连接详图见图1，应力分布详图见图2。

通过应力分析计算发现换热管与管板连接的角焊缝，在一些部位应力值偏高，不能满足评定要求，但按照常规计算能够通过，对于强度焊结构，GB/T 151-2014中拉脱力计算公式仅对该角焊缝在换热管轴向载荷作用下焊脚高度处的剪切应力进行校核，如图1中的线A所示，但实际中应力最危险截面往往在图1中的线B所示位置，也就是角焊缝与管板连接处，标准公式中应增加角焊缝与管板连接处的强度评定，应对GB/T 151-2014中拉脱力的计算公式进行完善。对压力高，直径大的换热器，管板存在弯曲变形，角焊缝不仅存在轴向载荷，而且会有管板弯曲应力的叠加，在这样的苛刻工况下，这种形式的强度焊缝是不适用的，毕竟角焊缝的承载能力有限，需要对连接焊缝进行改进以满足强度要求。

图1：

   图2：

通过图2可以看出（没有提供局部放大图，抱歉！），换热管与管板的连接处，有些位置的应力值已经超标，按照JB4732-1995(2005年确认)《钢制压力容器分析设计标准》的规定，已经不能满足强度要求，俗话说“无病不死人”，泄露肯定是有原因的。标准规范把适用范围扩大了，但对大直径的换热器，设计时确实应该谨慎对待，可以采用不同的换热管与管板的连接形式，比如内孔焊等等，用来满足苛刻的工况要求。