（北京化工大学机电工程学院，北京）利用有限元分析软件ANSYS对扭管式换热器管板在三种工况下的应力进行了计算，分析了轴向刚度弱化的影响扭管对管板应力强度的影响系数及轴向应力对扭管的影响。 结果表明，扭绞管的轴向变形补偿能力比普通直管差，可以降低管板在温差载荷作用下的应力，但会增加管子的分布不均受压截面，局部轴向应力远高于平均应力水平，因此扭绞管的抗疲劳和应力腐蚀开裂能力不如直管。 不同厚度的管板受扭曲管束轴向刚度的影响不同，管板厚度越小，弯曲管束的轴向刚度受到的影响越大。 关键词：扭管； 有限元; 应力强度 CLC 编号：文档代码：文章编号：：。 ，，，， 中国）：。 ． ,,. ，发束，-s。 , heet, -:;;s; 基金项目：国家科技支撑计划（）CPVT扭管式换热器管板有限元分析Vol31． 引言传热过程是石油和化工行业中必不可少的环节。 分别计算了如何在保证安全可靠的前提下提高30、40、50mm管板的传热性能换热器管板与不锈钢换热管，并比较了扭曲管束对不同厚度管板强度的影响程度。

同时选用了一系列具有轴向刚度弱化系数的绞管（绞管刚度弱化系数表示设备的传热性能因直管轴向刚度减弱而减弱加工成扭绞管后，强调低碳环保，在越来越严重的今天，其中，近年来出现了很多强化传热的换热管型式，扭绞管就是其中一种对它们进行了改进，具有强化传热、减少结垢、管束间自支撑、无折流板元件、节省空间、同时可以克服诱发振动等特点，在工业领域具有广阔的应用前景。由于商业机密等原因，国外关于扭管换热器的研究文献很少，20世纪90年代以来，我国学者对扭管换热器进行了一些理论分析、数值模拟和实验研究，但这些研究都集中在扭管换热器的传热和流阻性能上，而对扭管的结构强度和承压能力的报道较少，其轴向刚度低于直管管子。 因此，扭管对管板的支撑作用也不同于传统的管壳式换热器。 本文采用有限元分析软件ANSYS对扭绞管换热器管板组件进行受力分析，并对不同轴向刚度的扭绞管与管板进行对比。 同时指出了扭管式换热器在设计过程中应注意的问题。 扭管式换热器的结构主要由管程箱体、壳程壳体、管板和管束组成。 普通固定管板换热器基本相同，区别主要体现在以下两点：绞管式换热器的换热管为截面为椭圆形或长方形的螺旋管，具有强化传热特性； 管束之间无需设置挡板，挡板自承。

同时，管程和壳程流体分别在螺旋管内和管间的螺旋流道内流动。 流体呈螺旋运动，促进了湍流程度，基本消除了流动死区。 具有自洁特性700mm，壁厚10mm，材质Q345R； 换热管长度为344，材质为16Mn锻件。 考虑到不同厚度的管板由于其刚度不同可能会受到扭绞管束轴向刚度的影响不同，本文将厚度为20、42且刚度相同的扭绞管板的应力减弱对系数进行分析，并将其纳入扭管式换热器管板的有限元模型中。 本文主要分析扭管式换热器管板组件的应力强度，故仅选取换热器的管板、壳程筒体和管束建立有限元模型，其中管子-片材部分采用实体造型，网格划分为单元； 由于壳程筒体和绞合管束为薄壁结构，且换热管数量多，壳程筒体和绞合管束采用单元网格划分，实体单元和壳单元为使用 MPC 方法 [10] 连接。 忽略换热管在管侧的延伸长度，认为管子与管板直接连接为一个整体。 由于固定管板壳管式换热器结构整体对称，本文选取换热器结构建立有限元模型[11]。 有限元几何模型对有限元几何模型的每个对称平面施加对称约束。

由于扭管为螺旋结构，在长度方向上不可能是对称结构，因此在提取扭管应力结果时，避开了施加对称约束的扭管端部。 本文考察了管程压力、壳程压力和温差载荷的单一效应，单位为MPa，壳程压力MPa，管程设计温度为70℃，温度为120℃，热平均温度交换管束金属为 54 °C。 筒体金属平均温度为92℃，扭管内侧承受管程压力，壳程筒体和扭管外侧承受壳程压力，工况下垫片压缩力为应用于法兰密封面； 壳程温度施加于壳程，环境温度施加于管板外侧。 对管板进行了径向应力分析计算，得到了该工况下管板的应力计算结果。 为了进一步分析管板各部分沿管板厚度方向的应力，根据压力容器分析设计的方法，将管板沿厚度方向的应力以应力强度为参数进行线性化处理. 为此，在模型上定义了3条路径，分别位于管板中心、配管区域、非配管区域、管板与壳筒连接区域，如图图。 通过比较薄膜应力和管板路径上的弯曲应力的大小，分析了扭曲管的轴向刚度对管板强度的影响。 厚度为30 mm时，可以看出，对于本文所研究的换热器，当只有温差载荷作用时，扭管的轴向刚度下降（SINT），并且这种影响随着轴向刚度的增加而减小。系数越小，越明显。 这是因为扭曲管的变形补偿能力会随着其轴向刚度的降低而增加，而温差应力是由于管侧温差和金属热变形的差异引起的。壳面。 因此，扭曲管的变形补偿能力可以降低管束系统热变形的不协调程度，提高管板的受力。

仅受温差载荷影响时，管板应力强度随扭管刚度弱化系数的变化而变化。 强度随扭管刚度弱化系数的变化 43 CPVT 扭管换热器管板有限元分析 Vol31. 管板的应力强度随着扭管轴向刚度的降低而增大，特别是在铺管区和非铺管区（路径。承载能力强，但其对管板的支撑作用也必须降低. 管板中心的应力强度几乎不变，因为周围管束的支撑作用足够大。普通的固定管板换热器，由于管子的金属截面是相等的，扭管的平均应力与普通直管相差不大。同理，以壳程压力单独作用的情况为例例如，扭管和直管都在管壳与管板连接处附近的管束外侧承受压应力，在管中心附近的管束内侧承受拉应力然而，扭管轴向应力在管截面上分布不均匀，且这种不均匀程度随着扭管轴向刚度弱化系数的减小而增大，使得局部轴向应力扭管的轴向平均应力要高得多。

计算还发现，扭管的捻比越大，导程越小，扭管的轴向应力分布越不均匀，这主要是扭管特殊的几何形状造成的，因此在设计时扭管式换热器一方面要考虑扭管的强化传热效果； 另一方面，要控制扭管的局部高应力，使其不超过材料的允许极限，以免发生开裂或疲劳或应力腐蚀失效。 捻比和引线参数非常重要。 图 6和图 7分别为普通直管和带刚度弱化系数的扭管在单独壳程压力作用下的轴向应力分布。 仅施加壳侧压力时普通直管中的轴向应力分布 44 仅施加壳侧压力时扭曲管中的轴向应力分布 管板轴向刚度对不同厚度管板强度的影响不同，并选择扭曲比为0。对板厚为20、30、40、50 mm的扭曲管换热器模型进行分析计算，得到受影响最大的管板管道的薄膜应力加弯曲应力值以与普通直管换热器为例，三种工况下的对比结果如图10所示。当仅承受温差载荷时，管板的应力强度随厚度变化的管板。 可以看出，当只承受温差载荷时，对于任意厚度的管板，与普通直管相比，扭管可以减小管板的厚度。 管板上的应力强度大，管板厚度越小，压下程度越大。

从图9和图10可以看出，当只施加压力载荷时，对于任意厚度的管板，与普通直管相比，扭管可以增加管板上的应力强度，厚度管板增加值越小换热器管板与不锈钢换热管，差异越大。 原因是管板厚度越小，管束的支撑作用越突出。 10 仅在管侧受压时，由于扭管的轴向刚度较小，管板的应力强度高于普通直管。 如果管板的应力是由温差载荷引起的，采用扭绞管作为换热管可以改善管板的应力； 如果管板应力是由压力载荷引起的，使用扭管作为换热管会增加管板的应力； 扭管上的平均应力与普通直管相差不大，受力趋势相同； 然而，扭绞管的轴向应力在管子截面上分布不均匀，局部轴向应力远高于平均应力水平，这意味着扭绞管的管材抗疲劳和应力腐蚀的能力开裂不如直管。 因此，螺旋管的设计不仅要考虑强化传热的效果，还要考虑强度的弱化程度； 不同厚度的管板受扭曲管束轴向刚度的影响不同。 当管板厚度较小时，扭曲管束的轴向刚度影响较大。 参考文献：螺旋扭曲扁管换热器的研究进展及工业应用［J］． 流体机械, 2010, 38 扭曲管内传热与流动特性的数值模拟［J］． 流体机械, 2012, 40 新型高效绞管双壳换热器的研制［J］． 压力容器，2014，31 侯银燕，李伟。 水平螺旋扁管内含气汽油蒸气冷凝螺旋绞扁管换热器壳程湍流传热数值分析［J］． 火力发电，2007 扭曲椭圆管换热器壳程强化传热特性［J］． 化学学报, 2012, 63 波纹管换热器管板强度计算方法［J］． 压力容器，2007，24 过程装备与控制工程，第十三届全国高中过程装备与控制工程专业教学与研究交流会论文集 北京：化学工业出版社，2013 多点约束（MPC）方法与变换整体有限元加热器分析［J］． 压力容器，2013，30 [11] 胡锡文，林兴华． 管壳式换热器管板有限元分析 收稿日期：2014年17 修订日期：2014年20 作者简，女，主要从事压力容器安全可靠性研究，通讯地址：朝阳区北三环, 北京化工大学北京机电工程学院, 北京东路15号, Email: com. 45