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基于应力路径的换热器安全评定应用研究

文档作者：祝明威１张春吉２张彬３赵伟刚４文档来源：１．吉林化工学院机电工程学院；２．中国石油吉林石化公司电石厂；３．吉林机电工程学校；４．西安航天动力研究所		点击数：	更新时间： 2022年03月19日
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基于应力路径的换热器安全评定应用研究
祝明威*１ 张春吉２ 张 彬３ 赵伟刚４
（１ ．吉林化工学院机电工程学院；２．中国石油吉林石化公司电石厂；３．吉林机电工程学校；４．西安航天动力研究所）
摘 要 从应力路径的角度出发对换热器进行合理的安全评定，考虑换热器设计组装不同应力路径线
弹性变形程度一致性的原则，从安全评价核算系数出发，定义了安全评价系数，对核算系数的关联性做
了有效分析，对换热器潜在失效应力路径做出了有效合理评价。
关键词 换热器 安全评定 应力路径 变形程度 关联分析
中图分类号 ＴＱ０５１ ．５ 文献标识码 Ａ 文章编号 ０２５４-６０９４（２０１ ６）０４-０４７６-０４
换热器在炼油、化工装置中占总设备数量的
４０％左右，占总投资的３０％ ～４５％，随着节能技
术的发展，其应用领域不断扩大，其中管壳式换热
器在换热设备中使用量最大，因此对它的研究具
有很大意义［１ ］。换热器在使用过程中常处于封
闭式高温和多相流体的工作状态，它的安全评定
问题就显得格外重要。笔者以常用的Ｕ 形管换
热器为例，利用ＡＮＳＹＳ 分析软件，应用应力路径
方法，研究了换热器使用过程中应力失效的安全
评定标准问题。
１ 应力路径的确认及研究方案
应力路径是在载荷作用下，一点应力状态的
改变过程可以用对应的应力点在空间的运动轨迹
来描述，即应力点在应力空间的运动轨迹。它原
是定性分析土体力学特性的重要手段［２］。
Ｕ 形管式换热器是由一块管板和多根Ｕ 形
管（即管束，由直管和半圆管组成的对称形式［３］）
组成的，它结构简单，承压好，价格便宜，适用于热
应力大、管程不易结垢的场合，特别适用于壳程介
质易结垢而需要清洗的高温、高压、腐蚀性大的场
合，广泛应用于化工、供热、机械及医药等行
业［４］。
图１ 为某给排水车间使用的Ｕ 形管式换热
器，存在换热器筒体法兰滴漏频次高、小修周期短
的问题，严重影响着工艺生产的稳定性，也构成安
全生产的隐患。造成筒体法兰滴漏的原因主要是
封头、法兰、筒体三者应力挠变，因而划分换热器
应力路径为封头（Ｐ１ ）、管板与壳体（Ｐ２）、壳体法
兰连接（Ｐ３）３ 个位置的应力路径。
图１ 换热器的路径划分
该换热器的筒体、封头材料为Ｑ２４５Ｒ，管板
为Ｑ３４５Ｒ，换热管为不锈钢［５］，工艺参数为（管
程／壳程）：
进口温度 １ １ ５ ／１ ８５℃
出口温度 ７０ ／８０℃
设计压力 １ ．０ ／１ ．０ＭＰａ
换热器工作时封头、管板与壳体、壳体的应力
变形均包括线性变形和角变形，所以换热器工作
时，上述３ 个路径上的应力同时发生，但由于处于
不协调变形状态，所以常常导致滴漏。为清晰分
析３ 个应力路径的影响，笔者按以下步骤，用实际
工况下寻求应力路径峰值的方法，来研究应力路
径的应力状态：
４７６ 化 工 机 械 ２０１ ６ 年
* 祝明威，男，１ ９７７ 年６ 月生，讲师。吉林省吉林市，１ ３２０２２。
ａ．分析实际换热器装配和使用时封头、管
板与壳体、壳体法兰连接的约束情况；
ｂ．在实际工况下（即管、壳程压力以及温度
载荷的共同作用下），对封头、管板与壳体、壳体
法兰连接进行有限元分析；
ｃ．对每个应力路径的应力状态进行分析；
ｄ．基于分析结论论证换热器使用安全性的
评定方法和指标。
２ 实施过程
２．１ 约束分析
换热器是轴对称的，所以建立１ ／２ 分析模型。
首先在对称面上施加对称约束，即限定了整体沿
ｙ 方向的位移，如图２ 所示。一端支座限制ｘ、ｙ、ｚ
方向上的线性位移，在支座横截面上选取一点约
束其ｘ 方向的位移，另一端支座处限制ｘ、ｙ 方向
的位移。考虑到折流板对换热管的支撑作用，在
换热管除去与管板连接的节点外的所有节点上，
约束ｘ、ｙ 两个自由度。
图２ 应力分析路径坐标
２．２ 有限单元体分析
使用ＡＮＳＹＳ 软件，分别取封头、管板与壳体、壳
体法兰连接的分析单元，采用ＳＯＬＩＤ１８５ 单元（热分
析采用ＳＯＬＩＤ７０ 单元）划分网格，如图３ 所示。
图３ 换热器不同应力路径分析
根据安全判据，换热器封头与进出口隔板连
接处、管板与筒体连接处需要校核局部薄膜应力
强度ＳⅡ ，均匀壳体处需校核总体薄膜应力强度
ＳⅠ 和一次总体薄膜应力强度加一次弯曲应力强
度的应力强度ＳⅢ
［６，７］。
换热器所用Ｑ２４５ 材料的许用应力［σ］为：
［σ］＝σｂ ／Ｓ
式中 Ｓ ———安全系数；
σｂ ———断裂应力。
薄膜应力σｍａｘ为：
σｍａｘ ＝Ｋ ｐＤδ
式中 Ｄ ———容器平均直径（中径）；
Ｋ ———常数；
ｐ ———容器设计压力；
δ———容器壁厚。
一次弯曲应力σＭｍａｘ为：
σＭｍａｘ ＝Ｋ ｐＤ２
δ２
现定义σｍａｘ ／［σ］＝ｑｍ 为薄膜应力安全评价
核算系数（表１ ）；σＭｍａｘ ／［σ］＝ｑＭ 为弯曲应力安
全评价核算系数（表２）。旨在对装备使用受力状
态予以相关性评价，即构件同类核算系数相近，各
装配件的线弹性变形程度才相近。
表１ 单路径ｑｍ 评定
路径
许用应力
［σ］／ＭＰａ
薄膜应力
σｍａｘ ／ＭＰａ
薄膜应力安全评价
核算系数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 机 械 ４７７
表２ 单路径ｑＭ 评定
路径
许用应力
［σ］／ＭＰａ
一次弯曲应力
σＭｍａｘ ／ＭＰａ
弯曲应力安全评价
核算系数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
各路径的线弹性变形比例相等或相近，设备
才会处于稳定运行状态。应用ＡＮＳＹＳ 软件，对３
个路径的单路径薄膜应力和一次弯曲应力进行分
析，如图４、５ 所示。
ａ．Ｐ１ ｂ．Ｐ２ ｃ．Ｐ３
图４ 单路径σｍａｘ应力分析曲线
ａ．Ｐ１ ｂ．Ｐ２ ｃ．Ｐ３
图５ 单路径σＭｍａｘ应力分析曲线
３ 安全评定方法与指标
定义Ｓａ 为安全评价系数，主要靠薄膜应力来
承载的压力容器，Ｓａ ＝ｑＭ ／ｑｍ ，应取较小值。当
Ｓａ ≥１ 时，容器在薄膜应力以外还要承受其他较大
载荷，不利于容器的疲劳使用。本换热器不同应
力路径安全评价见表３，可以看出，路径Ｐ２ 的Ｓａ
值最大，即在使用中壳体与管板是最容易发生失
效的部位。
表３ 不同应力路径安全评价
路径安全评价系数Ｓａ
Ｐ１ ０．９４０
Ｐ２ １ ．９８０
Ｐ３ ０．２６１
Ｐ４ ０．９４０
定义总体评价函数为：
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。
即靠薄膜应力来承载的压力容器，其各构件
安全评价系数的标准差取值越小，设备安全性越
好。
４ 结束语
在换热器设计中，按照标准对换热器的封头、
筒体和筒体连接法兰进行独立设计，能满足技术
指标要求；但在换热器组装和装配后，在相同工况
下，换热器不同应力路径上的应力挠变存在不协
调现象，造成使用的不稳定性和不安全性，按照协
调变形的原则，本文对换热器的使用安全性给出
了评价方法，对换热器的设计、维修、安全评定以
及相关标准的修订有一定的指导意义。
参考文献
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（下转第４９４ 页）
４７８ 化 工 机 械 ２０１ ６ 年
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Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｓｔｅａｍ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｔ Ｌｏｗ Ｌｏａｄ
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ＬＩ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈａｎ-ｂｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １ ３２０１ ２，Ｃｈｉｎａ）
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
（上接第４７８ 页）
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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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