對一個冷卻器進行溫度和壓力載荷作用下的有限元強度分析,并對這兩種載荷作用 下的結構應力響應做分類研究,然后對結構進行改進,作同樣的分析。比較這些結果,得出考慮溫度載荷作用下的換熱器強度校核的規律和結構設計的特點。

冷卻器是化工、石油、輕工、能源等工業應用廣泛的過程設備之一，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適用性較強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。冷卻器的結構設計主要依據是GB151［1］，GB151 中關于換熱器管板強度校核是根據彈性基礎上薄板理論，在軸對稱結構的條件下，將薄板的三維變形簡化為二維梁式變形，由此來計算其強度的。而換熱器殼體厚度的選擇，主要是根據殼體所受到的殼程壓力來確定。

換熱器由于其工作特點，不僅有管程壓力和殼程壓力等載荷作用，而且還要受到工作介質的溫度載荷作用。在GB151 中對壓力載荷，給出了管板和殼體的尺寸選擇，及固定管板兼作法蘭的管板和殼體的連接方式。然而，對于在溫度載荷作用下，這些尺寸卻沒有具體的說明要求。

本文通過一個冷卻器的強度校核，將載荷分類為壓力載荷和溫度載荷，來說明結構在這些載荷作用下的應力響應特點，進而提出該結構改進的意見。本文采用三維有限元的分析方法，來研究其內在規律。

換熱器結構尺寸及載荷工況

BEM型換熱器結構如圖1 所示，管板上共有500 根換熱管，分布在管板的上半部分，左右對稱。結構尺寸和材料：管板內徑：1300 mm；管板厚度：80mm；法蘭外徑：1460 mm；管板材料：00Cr19Ni10；殼體厚度：24mm。

為簡化計算，在建立有限元模型時，只考慮換熱器的管板、殼體、管束和膨脹節等主要結構，法蘭墊片用等效的均布比壓來代替。

由于整臺換熱器結構是前后左右對稱，所以只取組合體的四分之一，換熱管長度取一半。換熱管是細長形狀，所以用桿單元來模擬。這樣的作法對管子附近的管板應力計算是不準確的，事實上，如果考慮換熱管和管板的脹焊連接，該處的真實應力也很難計算。根據圣維南原理，這樣處理對遠處的非布管區管板的計算影響不大。

殼體和膨脹節用20節點六面體單元劃分網格，管板用10 節點四面體單元來劃分網格，在管板和殼體過渡的區域是13節點的五面體錐型單元。管束用2節點桿單元來劃分網格。表示換熱管的桿單元節點與表示管板的實體單元節點在對應位置上重合。整個分析過程?**用ANSYS有限元軟件來完成。

在結構的前后對稱面和左右對稱面上加上對稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。換熱管的一端固定位移，另一端與管板連接。此外，還需要限制整體結構的剛體位移。

取正常操作工況為校核的工況，其具體數值為：殼程壓力：Ps .= -0.1 MPa；殼程溫度：Ts=230℃；管程壓力：Pt =0.2MPa；管程溫度：Tt=50℃；管板溫度：T=140℃；法蘭墊片壓力：Pc=69MPa；法蘭螺栓預緊力：116.5kN。

由于管板上的開孔面積只占其總面積的約5%，所以忽略當量壓力和管程壓力之間的差別。

根據冷卻器操作工況下溫度載荷的經驗數據，其分布如下：在結構的下半部，管板的中截面處的溫度為140 ℃，膨脹節處的溫度為230 ℃，在結構的上半部，管板的中截面處的溫度為120℃，膨脹節處的溫度為200 ℃，從管板到膨脹節，根據空間位置的不同，進行雙線性插值。筋板的溫度，也按照這一規律進行插值。
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