1、应用研究0 引言固定管板式换热器在化工、石油、冶金、电力等行业中被广泛应用。对于管壳式换热器来说，换热管接头的力学性能是衡量设备质量的重要指标。拉脱力是管接头的强度指标，备受学者的关注。Goodier 等1基于弹塑性理论分析了换热管胀接接头的拉脱力。Krips等2考虑塑性流动性推导了换热管胀接接头的拉脱力计算公式。Yokell等3也基于弹塑性胀管理论，研究了均压胀管接头强度以及辊胀接头强度与管壁摘 要 为了探究固定式管板弯曲变形对换热管拉脱力不均匀性的影响，采用ANSYS软件建立了固定管板式换热器的有限元模型，在管板满足强度要求的前提下，通过改变管程压力分析了换热管轴向力在管板不同弯曲变形程度
2、下的分布规律。结果显示：管板弯曲变形使得管板中心区域管道受压力作用，外围管道受拉力作用，随着弯曲变形程度增加，管道轴向承载不均匀性加剧；管板中心区域管道受压力作用，将引起外围区域换热管的附加拉力，该附加拉力值与管壳程压力引起的拉力值相当，不容忽略。关键词 固定管板式换热器 换热管 拉脱力 管接头 ANSYS中图分类号 TQ 051.5 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.002Study on the Nonuniformity of Pulling-off Force of Heat Exchanger Tubes in Fixed Tube She
3、et Heat exchangerYANG Yang FAN JunAbstract:In order to explore the influence of fixed tube sheet bending deformation on the nonuniformity of pull-off force of heat exchanger tubes,the finite element model of fixed tube sheet heat exchanger was established by using ANSYS.On the premise that the tube
4、sheet met the strength requirements,the distribution of axial force of heat exchanger tubes under different bending deformation degrees of tube sheet was analyzed by changing the tube sheet pressure.The results showed that the bending deformation of the tube sheet made the pipe in the center of the
5、tube sheet subject to pressure and the peripheral pipe subject to tension.With the increase of the bending deformation degree,the non-uniformity of the axial load of the pipe increased.The pressure acting on the pipe in the central area of the tube sheet would cause the additional tension of the hea
6、t exchange pipe in the peripheral area,which was equivalent to the tension value caused by the pressure on the tube sheet side and could not be ignored.Key words:Fixed tube sheet heat exchanger;Heat exchange tube;Pull-off force;Pipe joint;ANSYS杨 洋*樊 俊（东方电气股份有限公司核设备设计所）固定管板式换热器换热管拉脱力不均匀性研究*杨洋，男，1984年
7、生，高级工程师。成都市，611731化工装备技术4第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月2023 年 4 月5减薄率和轧制扭矩的关系。薛明德等4从管壳式换热器换热管轴向应力计算原理出发，并考虑了管板弯曲变形，对GB 1511999管壳式换热器标准中换热管轴向应力计算提出了改进建议。其他学者还探讨了不同连接方式、温度、保压时间等因素对拉脱力的影响5-8。根据已有研究成果来看，管板弯曲变形引起换热管轴向受力的不均匀性问题仍没有得到关注。对于管壳式换热器来说，该问题是普遍存在的；对于高压容器9、柔性管板容器10-11来说，该问题非常突出。鉴于此，本文采用 ANSYS 软件建立了某固定管板式换热
8、器的有限元模型，分析管板在管程和壳程压力联合作用下发生弯曲变形对换热管轴向受力不均匀性的影响，以期为换热管接头的设计提供理论参考。1 有限元型模1.1 换热器结构介绍某卧式固定管板式换热器的主要几何尺寸可见表 1。管程设计温度为 350，壳程设计温度为300。管板和壳体材料为 Q345R，换热管材料为0Cr17Ni14Mo2，设备材料在设计温度时的主要性能可见表 2。表 1 换热器主要几何尺寸项目参数壳程筒体内径Ds/mm800壳程筒体壁厚s/mm16壳程筒体长度Ls/mm5 000换热管外径d/mm25换热管壁厚t/mm2.5三角排列管间距p/mm36换热管总数n/根338管箱筒体内径Dp/
9、mm800管箱筒体壁厚p/mm16.5管箱长度Lp/mm360管板外径Df/mm850管板厚度f/mm100表 2 换热器材料的主要性能参数材料弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa许用应力/MPa0Cr17Ni14Mo21.781050.310090Q345R1.831050.32301531.2 换热器简化模型本文主要分析管板在管、壳程压力联合作用下发生弯曲变形对换热管轴向受力不均匀性的影响情况，因此可忽略开孔接管、支座、封头等结构对受力的影响。管板、管箱筒体、壳程筒体及换热管布置存在对称关系，可建立设备结构的 1/4 作为分析模型。采用单元 Solid45 进行网格划分，换热器有限元模型
10、如图1 所示，其中共计 52 318 个单元，91 550 个节点。图 1 固定管板式换热器有限元模型1.3 边界及载荷由于设备为对称结构，在结构纵向对称面施加法向位移约束，在壳程横截面及换热管横截面施加轴向位移约束，管箱筒体端面则施加相应的轴向平衡面力，计算公式为：（1）式中：pe平衡面力；pt管程压力；At管箱内圆面积；A0管箱筒体端面面积。该设备模型的管程压力 pt为 2 MPa，壳程压力 ps为 0.6 MPa。2 计算结果及分析本文拟在管板满足强调条件下探讨管板弯曲变形对换热管非均匀性承载的影响。在管板中心区域、布管外围区域、管板与筒体连接区域取 3 条路径对管板进行强度评定，路径位
11、置如图 2 所示。按照 JB 47321995钢制压力容器分析设计标准（2005年确认）提供的标准进行强度评定，即：pL 1.5KSm （2）pL+pb 1.5KSm （3）杨洋，等：固定管板式换热器换热管拉脱力不均匀性研究第 44 卷第 2 期化工装备技术6pL+pb+Q 3KSm （4）式中：pL 局部薄膜应力；pb弯曲应力；Q峰值应力；K载荷系数，取为 1；Sm材料许用应力。路径1路径2路径3图 2 应力评定路径位置示意（单位：MPa）在管程压力和壳程压力的联合作用下，管板区域的应力强度分布情况可见图 3，轴向位移分布情况可见图4。由图3可知，管板与管箱连接区域的应力较高，应力强度达到
12、106.355 MPa，而布管区域的应力则较小，基本在 30 MPa 以内。3 条路径的应力评定结果可见表 3，该结果显示管板满足强度要求。图 3 管板区域的应力强度云图 图 4 管板区域的轴向位移云图 （单位：MPa）（单位：mm）表 3 管板路径应力评定结果路径pL/MPa（pL+pb）/MPa（pL+pb+Q）/MPa评价结果13.3521.7525.22通过27.689.7610.44通过35.4716.6219.67通过由图 4 所示的管板位移分布结果来看，管板弯曲变形使得中心区域管道呈受压状态，外围区域管道呈受拉状态。换热管轴向力沿某半径方向的变化曲线如图 5 所示。由图 5 可知
13、，中心位置管道受压最大，压力为 255.85 N；最外侧管道受拉最大，拉力为 351 N；距离管板中心约 200 mm 处的管道不受力。050100150200250300350-300-200-1000100200300400换热管轴向力/N距离管板中心距离/mm图 5 换热管轴向力沿半径方向的变化曲线保持壳程压力不变，逐渐将管程压力增大至 18 MPa，分析管板弯曲变形增大对管道轴向受力不均匀程度的影响情况。不同管程压力情况下，管板路径应力评定结果可见表 4，换热管轴向力沿某半径方向的变化曲线可见图 6。由表 4 可知，当管程压力达到 18 MPa 时，路径 1 的 pL+pb超过了应力限
14、值 1.5Sm，管板强度不满足要求。因此，在管程压力小于 18 MPa 的情况下讨论管板弯曲变形对管道轴向承载不均匀程度的影响。由图 6 可知，随着管程压力增大，轴向不承载管道的位置几乎没有改变，仍然为距离管板中心约 200 表 4 增加管程压力情况下管板路径应力评定结果路径pt/MPapL/MPa（pL+pb）/MPa（pL+pb+Q）/MPa评价结果146.13748.1755.42通过217.1621.9523.79通过312.3137.3745.38通过168.92874.5985.62通过226.6834.1937.16通过319.1858.1871.09通过1811.7210111
15、5.8通过236.2146.4450.54通过326.0678.9996.8通过11014.51127.4146通过245.7458.763.91通过332.9599.81122.5通过11217.31153.9176.2通过255.2770.9577.29通过339.83120.6148.2通过11420.1180.3206.4通过264.883.2190.66通过346.72141.5173.9通过11622.9206.7236.6通过274.3495.47104通过353.6162.3199.7通过11825.69233.1266.8不通过283.87107.7117.4通过360.49
16、183.1225.4通过2023 年 4 月7mm 的管道；换热管轴向力沿某半径方向的变化曲线绕着零轴向力点逆时针转动，使得管板中心区域管子的受压程度和管板外围区域管子的受拉程度增大，管子轴向承载不均匀程度加剧。当管程压力为 2 MPa时，换热管最大轴向压力和拉力分别为-255.85 N 和351 N，二者差值为 607.52 N；当管程压力为 16 MPa时，换热管最大轴向压力和拉力分别为-2 832.5 N 和3 258.9 N，二者差值达到 6 091.4 N。值得注意的是，管板中心区域管道所受压力须由管板外围区域管道受拉来平衡。即除管程压力和壳程压力引起换热管受拉力作用之外，管板中心区域受压管也将引起外围管道受拉力作用。由表 5 可知，管板中心区域受压管子引起的管束拉力值与管程压力和壳程压力引起的拉力值相当，且随着管板弯曲变形程度增加，在管束总拉力中的比例逐渐增大，当管程压力增加到 16 MPa 时，比例达到了 47.1%。050100150200250300350-4000-3000-2000-100001000200030004000距离管板中心距离/mm换热管轴向力/N2
