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基于應(yīng)力路徑的換熱器安全評(píng)定應(yīng)用研究

文檔作者：祝明威１張春吉２張彬３趙偉剛４文檔來(lái)源：１．吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；２．中國(guó)石油吉林石化公司電石廠；３．吉林機(jī)電工程學(xué)校；４．西安航天動(dòng)力研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年03月19日
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基于應(yīng)力路徑的換熱器安全評(píng)定應(yīng)用研究
祝明威*１ 張春吉２ 張 彬３ 趙偉剛４
（１ ．吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；２．中國(guó)石油吉林石化公司電石廠；３．吉林機(jī)電工程學(xué)校；４．西安航天動(dòng)力研究所）
摘 要 從應(yīng)力路徑的角度出發(fā)對(duì)換熱器進(jìn)行合理的安全評(píng)定，考慮換熱器設(shè)計(jì)組裝不同應(yīng)力路徑線
彈性變形程度一致性的原則，從安全評(píng)價(jià)核算系數(shù)出發(fā)，定義了安全評(píng)價(jià)系數(shù)，對(duì)核算系數(shù)的關(guān)聯(lián)性做
了有效分析，對(duì)換熱器潛在失效應(yīng)力路徑做出了有效合理評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞 換熱器 安全評(píng)定 應(yīng)力路徑 變形程度 關(guān)聯(lián)分析
中圖分類(lèi)號(hào) ＴＱ０５１ ．５ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 Ａ 文章編號(hào) ０２５４-６０９４（２０１ ６）０４-０４７６-０４
換熱器在煉油、化工裝置中占總設(shè)備數(shù)量的
４０％左右，占總投資的３０％ ～４５％，隨著節(jié)能技
術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其中管殼式換熱
器在換熱設(shè)備中使用量最大，因此對(duì)它的研究具
有很大意義［１ ］。換熱器在使用過(guò)程中常處于封
閉式高溫和多相流體的工作狀態(tài)，它的安全評(píng)定
問(wèn)題就顯得格外重要。筆者以常用的Ｕ 形管換
熱器為例，利用ＡＮＳＹＳ 分析軟件，應(yīng)用應(yīng)力路徑
方法，研究了換熱器使用過(guò)程中應(yīng)力失效的安全
評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。
１ 應(yīng)力路徑的確認(rèn)及研究方案
應(yīng)力路徑是在載荷作用下，一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的
改變過(guò)程可以用對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡
來(lái)描述，即應(yīng)力點(diǎn)在應(yīng)力空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。它原
是定性分析土體力學(xué)特性的重要手段［２］。
Ｕ 形管式換熱器是由一塊管板和多根Ｕ 形
管（即管束，由直管和半圓管組成的對(duì)稱形式［３］）
組成的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承壓好，價(jià)格便宜，適用于熱
應(yīng)力大、管程不易結(jié)垢的場(chǎng)合，特別適用于殼程介
質(zhì)易結(jié)垢而需要清洗的高溫、高壓、腐蝕性大的場(chǎng)
合，廣泛應(yīng)用于化工、供熱、機(jī)械及醫(yī)藥等行
業(yè)［４］。
圖１ 為某給排水車(chē)間使用的Ｕ 形管式換熱
器，存在換熱器筒體法蘭滴漏頻次高、小修周期短
的問(wèn)題，嚴(yán)重影響著工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性，也構(gòu)成安
全生產(chǎn)的隱患。造成筒體法蘭滴漏的原因主要是
封頭、法蘭、筒體三者應(yīng)力撓變，因而劃分換熱器
應(yīng)力路徑為封頭（Ｐ１ ）、管板與殼體（Ｐ２）、殼體法
蘭連接（Ｐ３）３ 個(gè)位置的應(yīng)力路徑。
圖１ 換熱器的路徑劃分
該換熱器的筒體、封頭材料為Ｑ２４５Ｒ，管板
為Ｑ３４５Ｒ，換熱管為不銹鋼［５］，工藝參數(shù)為（管
程／殼程）：
進(jìn)口溫度 １ １ ５ ／１ ８５℃
出口溫度 ７０ ／８０℃
設(shè)計(jì)壓力 １ ．０ ／１ ．０ＭＰａ
換熱器工作時(shí)封頭、管板與殼體、殼體的應(yīng)力
變形均包括線性變形和角變形，所以換熱器工作
時(shí)，上述３ 個(gè)路徑上的應(yīng)力同時(shí)發(fā)生，但由于處于
不協(xié)調(diào)變形狀態(tài)，所以常常導(dǎo)致滴漏。為清晰分
析３ 個(gè)應(yīng)力路徑的影響，筆者按以下步驟，用實(shí)際
工況下尋求應(yīng)力路徑峰值的方法，來(lái)研究應(yīng)力路
徑的應(yīng)力狀態(tài)：
４７６ 化 工 機(jī) 械 ２０１ ６ 年
* 祝明威，男，１ ９７７ 年６ 月生，講師。吉林省吉林市，１ ３２０２２。
ａ．分析實(shí)際換熱器裝配和使用時(shí)封頭、管
板與殼體、殼體法蘭連接的約束情況；
ｂ．在實(shí)際工況下（即管、殼程壓力以及溫度
載荷的共同作用下），對(duì)封頭、管板與殼體、殼體
法蘭連接進(jìn)行有限元分析；
ｃ．對(duì)每個(gè)應(yīng)力路徑的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析；
ｄ．基于分析結(jié)論論證換熱器使用安全性的
評(píng)定方法和指標(biāo)。
２ 實(shí)施過(guò)程
２．１ 約束分析
換熱器是軸對(duì)稱的，所以建立１ ／２ 分析模型。
首先在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即限定了整體沿
ｙ 方向的位移，如圖２ 所示。一端支座限制ｘ、ｙ、ｚ
方向上的線性位移，在支座橫截面上選取一點(diǎn)約
束其ｘ 方向的位移，另一端支座處限制ｘ、ｙ 方向
的位移。考慮到折流板對(duì)換熱管的支撐作用，在
換熱管除去與管板連接的節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)上，
約束ｘ、ｙ 兩個(gè)自由度。
圖２ 應(yīng)力分析路徑坐標(biāo)
２．２ 有限單元體分析
使用ＡＮＳＹＳ 軟件，分別取封頭、管板與殼體、殼
體法蘭連接的分析單元，采用ＳＯＬＩＤ１８５ 單元（熱分
析采用ＳＯＬＩＤ７０ 單元）劃分網(wǎng)格，如圖３ 所示。
圖３ 換熱器不同應(yīng)力路徑分析
根據(jù)安全判據(jù)，換熱器封頭與進(jìn)出口隔板連
接處、管板與筒體連接處需要校核局部薄膜應(yīng)力
強(qiáng)度ＳⅡ ，均勻殼體處需校核總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度
ＳⅠ 和一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)
度的應(yīng)力強(qiáng)度ＳⅢ
［６，７］。
換熱器所用Ｑ２４５ 材料的許用應(yīng)力［σ］為：
［σ］＝σｂ ／Ｓ
式中 Ｓ ———安全系數(shù)；
σｂ ———斷裂應(yīng)力。
薄膜應(yīng)力σｍａｘ為：
σｍａｘ ＝Ｋ ｐＤδ
式中 Ｄ ———容器平均直徑（中徑）；
Ｋ ———常數(shù)；
ｐ ———容器設(shè)計(jì)壓力；
δ———容器壁厚。
一次彎曲應(yīng)力σＭｍａｘ為：
σＭｍａｘ ＝Ｋ ｐＤ２
δ２
現(xiàn)定義σｍａｘ ／［σ］＝ｑｍ 為薄膜應(yīng)力安全評(píng)價(jià)
核算系數(shù)（表１ ）；σＭｍａｘ ／［σ］＝ｑＭ 為彎曲應(yīng)力安
全評(píng)價(jià)核算系數(shù)（表２）。旨在對(duì)裝備使用受力狀
態(tài)予以相關(guān)性評(píng)價(jià)，即構(gòu)件同類(lèi)核算系數(shù)相近，各
裝配件的線彈性變形程度才相近。
表１ 單路徑ｑｍ 評(píng)定
路徑
許用應(yīng)力
［σ］／ＭＰａ
薄膜應(yīng)力
σｍａｘ ／ＭＰａ
薄膜應(yīng)力安全評(píng)價(jià)
核算系數(shù)ｑｍ
Ｐ１ １ ６１ ．１ ２６．８２ ０．１ ６６
Ｐ２ １ ６９．５ ２７．２６ ０．１ ６１
Ｐ３ １ １ ３．０ ４５．５２ ０．４０３
Ｐ４ ２４０．０ １ ２１ ．７０ ０．５０７
第 ４３ 卷 第 ４ 期 化 工 機(jī) 械 ４７７
表２ 單路徑ｑＭ 評(píng)定
路徑
許用應(yīng)力
［σ］／ＭＰａ
一次彎曲應(yīng)力
σＭｍａｘ ／ＭＰａ
彎曲應(yīng)力安全評(píng)價(jià)
核算系數(shù)ｑＭ
Ｐ１ ３２２．２ ５０．５１ ０．１ ５６
Ｐ２ ３３９．０ １ ０７．９０ ０．３１ ８
Ｐ３ １ ６９．５ ４７．７６ ０．１ ０５
Ｐ４ ３７５．０ １ ７８．７０ ０．４７７
各路徑的線彈性變形比例相等或相近，設(shè)備
才會(huì)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用ＡＮＳＹＳ 軟件，對(duì)３
個(gè)路徑的單路徑薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力進(jìn)行分
析，如圖４、５ 所示。
ａ．Ｐ１ ｂ．Ｐ２ ｃ．Ｐ３
圖４ 單路徑σｍａｘ應(yīng)力分析曲線
ａ．Ｐ１ ｂ．Ｐ２ ｃ．Ｐ３
圖５ 單路徑σＭｍａｘ應(yīng)力分析曲線
３ 安全評(píng)定方法與指標(biāo)
定義Ｓａ 為安全評(píng)價(jià)系數(shù)，主要靠薄膜應(yīng)力來(lái)
承載的壓力容器，Ｓａ ＝ｑＭ ／ｑｍ ，應(yīng)取較小值。當(dāng)
Ｓａ ≥１ 時(shí)，容器在薄膜應(yīng)力以外還要承受其他較大
載荷，不利于容器的疲勞使用。本換熱器不同應(yīng)
力路徑安全評(píng)價(jià)見(jiàn)表３，可以看出，路徑Ｐ２ 的Ｓａ
值最大，即在使用中殼體與管板是最容易發(fā)生失
效的部位。
表３ 不同應(yīng)力路徑安全評(píng)價(jià)
路徑安全評(píng)價(jià)系數(shù)Ｓａ
Ｐ１ ０．９４０
Ｐ２ １ ．９８０
Ｐ３ ０．２６１
Ｐ４ ０．９４０
定義總體評(píng)價(jià)函數(shù)為：
Ｆ（Ｓａ１ ，Ｓａ２ ，Ｓａ３ ，…，Ｓａｎ ，Ｓａｍ ）＝｛［（Ｓａ１ －Ｓａｍ） ２ ＋（Ｓａ２ －
Ｓａｍ） ２ ＋（Ｓａ３ －Ｓａｍ） ２ ＋… ＋（Ｓａｎ －Ｓａｍ） ２ ］ ／ｎ｝ １ ／２ →ｍｉｎ
其中，Ｓａｍ ＝Σｎ
ｉ ＝１ Ｓａｉ ／ｎ。
即靠薄膜應(yīng)力來(lái)承載的壓力容器，其各構(gòu)件
安全評(píng)價(jià)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差取值越小，設(shè)備安全性越
好。
４ 結(jié)束語(yǔ)
在換熱器設(shè)計(jì)中，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱器的封頭、
筒體和筒體連接法蘭進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，能滿足技術(shù)
指標(biāo)要求；但在換熱器組裝和裝配后，在相同工況
下，換熱器不同應(yīng)力路徑上的應(yīng)力撓變存在不協(xié)
調(diào)現(xiàn)象，造成使用的不穩(wěn)定性和不安全性，按照協(xié)
調(diào)變形的原則，本文對(duì)換熱器的使用安全性給出
了評(píng)價(jià)方法，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)、維修、安全評(píng)定以
及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂有一定的指導(dǎo)意義。
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（下轉(zhuǎn)第４９４ 頁(yè)）
４７８ 化 工 機(jī) 械 ２０１ ６ 年
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ＬＩ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈａｎ-ｂｅｉ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｏｆ ａ ３００ＭＷ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ；ａｎｄ ｔｈｅ ３Ｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ｍｏｖｉｎｇ
ｂｌａｄｅｓ ａｔ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ａｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｔｒｉａｎｇｌｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖａｒｉｏｕｓ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｆｌｏｗｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ，３Ｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｍｏｖｉｎｇ ｂｌａｄｅ，ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ ｓｔａｇｅ，ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ

ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏ
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Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｓａｆｅｔｙ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ Ｐａｔｈ
ＺＨＵ Ｍｉｎｇ-ｗｅｉ１ ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ-ｊｉ２ ，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎ３ ，ＺＨＡＯ Ｗｅｉ-ｇａｎｇ４
（１ ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ １ ３２０２２，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃａｌｃｉｕｍ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｆａｃｔｏｒｙ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ Ｊｉｌｉｎ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｌｉｎ １ ３２０２１ ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉｌｉｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｊｉｌｉｎ １ ３２１ ０１ ，Ｃｈｉｎａ；４．Ｘｉ’ａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１ ０１ ００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｆｏｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ；
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈｓ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｄｅｘ ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ
ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｐａｔｈ ｏｆ ｔｈｅ
ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ’ｓ ｐｏｔ

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