李曉達

錦州市特種設備監(jiān)督檢驗所

安全科學技術

棱角度超標換熱器的有限元應力分析

李曉達

錦州市特種設備監(jiān)督檢驗所

針對換熱器監(jiān)督檢驗中發(fā)現(xiàn)的棱角度超標問題，采用有限元軟件對其超標部位及整體的受力情況進行計算，分析計算結果并與材料的允許應力進行比較，結果顯示，該換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標部位的靜應力能夠滿足靜強度要求。

棱角度超標；有限元；應力分析

某化工企業(yè)一進口換熱壓力容器，為U形管換熱器結構，直徑為500mm，長度為3840mm，換熱面積為45.36m2。其主要技術參數(shù)，設計壓力：殼程0.6MPa，管程0.4MPa；設計溫度：殼程150℃，管程150℃；工作壓力：殼程0.5MPa，管程0.23MPa；工作溫度： 殼程30℃（進口）/36℃（出口），管程43.47℃（進口）/40℃（出口）；材料：殼程#SA516Gr.70，管程C4；介質：殼程#循環(huán)水，管程PHOSGENE（光氣）。

1 監(jiān)督檢驗情況

對換熱器安全性能進行監(jiān)督檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)筒體縱焊縫有棱角度超標現(xiàn)象，其縱焊縫最大棱角度為6.0mm[1]，超過相關標準規(guī)定的≤3.0mm，棱角度超標位置及尺寸標注，如圖1。

按照《中華人民共和國進出口商品檢驗法》、《中華人民共和國進出口鍋爐壓力容器監(jiān)督管理辦法（試行）》、《鍋爐壓力容器監(jiān)督管理辦法》、《ASME Ⅷ》和我國相關壓力容器規(guī)程，壓力容器縱環(huán)焊縫棱角度要符合相關標準規(guī)定[2]棱角度超標是不符合要求的，但由于企業(yè)急于投用，且此換熱器不存在其它方面的超標缺陷，因此擬采用大型有限元分析軟件ANSYS對棱角度超標部位進行有限元數(shù)值應力計算和分析，并進行靜強度安全分析。

2 有限元計算建模

此容器為U型管換熱器，由于管程對殼程的受力情況影響不大，同時此換熱器接管位于筒體兩端靠近封頭位置，而棱角度超標部位為殼程筒體中間部位，考慮到最大棱角度部位離兩端較遠，為方便起見，建模時忽略管程和殼體接管的影響，重點考慮換熱器殼程棱角度部位的應力情況，取殼體中間部位進行分析，按照薄壁圓筒容器計算。殼體中間部位主要受內部介質的內壓，在內壓的作用下，薄壁承受徑向應力和周向應力作用，不考慮殼體與其他連接處的局部應力。分析計算中棱角度取為6mm。根據力學原理，這種計算得到的計算結果偏于安全。

圖2為計算模型整體結構示意圖，模型單元劃分后的單元總數(shù)為75845個，節(jié)點總數(shù)為25488個。

計算時取該容器的設計壓力0.6MPa和設計溫度150℃，棱角度取6mm。徑向應力和周向應力按薄壁圓筒容器計算。

3 計算結果

在溫度為150℃、壓力為0.6MPa的工作情況下，殼體的應力分布云圖情況如圖3所示。圖4為棱角度部位內表面應力分布云圖，圖5為棱角度部位外表面應力分布云圖。由圖3、4、5可以看出殼體由于存在棱角度超標，縱焊縫兩側部位存在不同程度的應力集中。

4 安全分析及結論

由殼體的應力分布云圖4、5、6可以看出，在溫度為150℃、壓力為0.6MPa的情況下該換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標部位最大應力為37MPa，而材料（SA516Gr.70）在相應溫度下的許用應力為138MPa，兩者比較，棱角度超標部位的最大應力遠低于相應溫度下材料的許用應力。因此說明，在不考慮管程及接管影響的情況下，換熱器殼程筒體縱焊縫棱角度超標部位的靜應力在受內壓0.6MPa時完全能夠滿足靜強度要求。而此容器工作壓力為殼程0.5MPa，溫度30℃（進口）/36℃（出口），小于計算所選設計參數(shù)，因此在正常工作狀態(tài)下棱角度超標部位的強度滿足要求。

[1] 中華人民共和國國家標準.GB150-2011,鋼制壓力容器[Z].北京:新華出版社,2011

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.TSG R0004-2009,固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程[Z],北京:新華出版社,2009