专利名称：一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统及其方法
技术领域：
本发明属于管壳式换热器检测技术领域，特别涉及一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统及其方法。
背景技术：
换热器管板接口是管板与换热管连接的部位，该部位的泄漏是换热器的主要失效模式之一。在对管板接口处的裂纹进行评定的过程中，需要计算该管板接口处的应力大小。在工程应用领域，通常是根据换热管的服役工况和尺寸参数对该管板接口处的应力进行快速计算。管板接口多采用贴胀加强度焊工艺，在换热器服役时管板接口处主要承受三部分应力:管壳程压力产生的应力、热应力和焊接残余应力，其中热应力由管板两侧管程与壳程温差产生。对于高温高压换热器，该热应力数值较大。现有规范或标准中，对于管壳程压力产生的应力以及焊接残余应力，已有计算公式，这些公式虽然在推导时作了一些假设且较为繁琐，但被实践证明是偏保守的，可以进行工程应用。对于管板两侧管壳程温差引起的热应力，较多的研究是针对特定换热器、特定温差给出了热应力数值计算结果，却没有一般意义的公式。因此在工程实际中，每个换热器的管板接口热应力需要根据自身的尺寸以及服役工况，进行数值计算，这种方法耗时很长，且成本很高，不能满足工程的实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统及其方法，解决了现有技术中管壳式换热器管板接口热应力计算繁琐、耗费时间长及成本高的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统，包括有限元模型模块、计算热应力模块和热应力数值计算公式模块；所述有限元模型模块，用于根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型；所述计算热应力模块，用于根据管板的厚度、管板的直径、所述有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力；所述热应力数值计算公式模块，用于根据所述有限元模型、所述不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、所述不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和所述不同管板直径所对应的直径系列热应力，通过非线性回归方法得到所述管板接口热应力计算模型。进一步地，所述管板和所述换热管的力学性能参数均包括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数。进一步地，所述管板接口热应力计算模型包括管板接口环向热应力计算模型和管板接口径向热应力计算模型；其中，所述管板接口环向热应力计算模型如式(I)所示:
S环=a+bD+c 5+d 5 2+e I (t管程_t壳程)卜ft管程(I)式中，Sjf表示管板接口某处的环向热应力；D表示管板直径；5表示管板厚度；tsg表示管程温度表示壳程温度；a、b、C、d、e、f为系数，其中a代表常数系数，b代表管板直径影响系数，C、d分别代表板厚影响系数，e、f分别代表温度影响系数。进一步地，所述有限元模型包括不同尺寸的管板接口模型、不同厚度的管板接口模型和不同直径的管板接口模型。进一步地，所述不同尺寸的管板接口模型中换热管束外伸部分长度大于式(2):AL = 2.5-Jrj(2)式中，R为换热管外半径；t为换热管壁厚。一种计算管壳式换 热器管板接口热应力的方法，包括如下步骤:根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型；根据管板的厚度、管板的直径、所述有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力；根据所述有限元模型、所述不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、所述不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和所述不同的管板直径所对应的直径系列热应力，通过非线性回归方法得到所述管板接口热应力计算模型。本发明提供的计算管壳式换热器管板接口热应力的系统及其方法，可以简单、快速地计算出常用管壳式换热器管板接口热应力，特别适合管壳式换热器检修时的安全评定，可有效提高管壳式换热器安全管理水平。
具体实施例方式本发明实施例提供了一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统，包括有限元模型模块、计算热应力模块和热应力数值计算公式模块；在本发明实施例中，管壳程温差是管程温度和壳程温度的差。其中，有限元模型模块用于根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型；其中，管板的力学性能参数包括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数，换热管的力学性能参数包括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数，有限元模型包括不同尺寸的管板接口模型、不同厚度的管板接口模型和不同直径的管板接口模型；计算热应力模块，用于根据管板的厚度、管板的直径、有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算不同管程温度和管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力；热应力数值计算公式模块用于根据有限元模型、不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力，通过非线性回归方法得到管板接口热应力计算模型；其中，管板接口热应力计算模型包括管板接口环向热应力计算模型和管板接口径向热应力计算模型，管板接口环向热应力计算模型如式(I)所示:S环=a+bD+c 5+d 5 2+e I (t管程_t壳程)卜ft管程(I)
式中，Sjf表示管板接口某处的环向热应力；D表示管板直径；5表示管板厚度；tsg表示管程温度表示壳程温度；a、b、C、d、e、f为系数，其中a代表常数系数，b代表管板直径影响系数，C、d分别代表板厚影响系数，e、f分别代表温度影响系数，在工程实际使用中，通过式(I)后，换热器管板接口的热应力可根据该式快速求出，而不必再借助有限元等软件计算，大幅提高工作效率并节省大量成本。其中，不同尺寸的管板接口模型中换热管束外伸部分长度大于式(2):M, = 2.( 2 )式中,R为换热管外半径；t为换热管壁厚。由于在有限元计算时,管板接口部分的温度场及热应力场变化剧烈，靠近该处的换热管温度场及热应力场变化也较为剧烈，因此对管板接口模型施加的约束应远离该位置。由于管板接口模型约束施加在换热管上，因此要求换热管具有一定长度，才能使约束远离管板接口位置，因此式(2)提供了模型中换热管长度的临界取值。 本发明实施例还提供了一种计算管壳式换热器管板接口热应力的方法，包括如下步骤:步骤101:根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型；步骤1011:确定管板及换热管的力学性能参数；其中，管板的力学性能参数包括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数，换热管的力学性能参数包 括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数；确定典型的管板及换热管材质，常用管板的材质是普通低合金钢16MnR(现称为Q345R)，常用换热管的材质为10钢、20钢、OCrlSNiIOTi (321)不锈钢，其材料性能见表I和表2。本发明实施例选取管板材质为16MnR，换热管材质为10钢；表I典型管板及换热管材料性能表
权利要求
1.一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统，其特征在于，包括有限元模型模块、计算热应力模块和热应力数值计算公式模块； 所述有限元模型模块，用于根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型； 所述计算热应力模块，用于根据管板的厚度、管板的直径、所述有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力； 所述热应力数值计算公式模块，用于根据所述有限元模型、所述不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、所述不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和所述不同管板直径所对应的直径系列热应力，通过非线性回归方法得到所述管板接口热应力计算模型。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管板和所述换热管的力学性能参数均包括比热容、导热系数、密度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比和线膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管板接口热应力计算模型包括管板接口环向热应力计算模型和管板接口径向热应力计算模型；其中，所述管板接口环向热应力计算模型如式(I)所示: S 环=a+bD+c 6 +d 6 +e | (t 管程—t 壳程)| +ft 管程(I) 式中，S环表不管板接口某处的环向热应力；D表不管板直径；5表不管板厚度；1:管程表示管程温度A5tg表示壳程温度；a、b、C、d、e、f为系数，其中a代表常数系数，b代表管板直径影响系数，C、d分别代表板厚影响系数，e、f分别代表温度影响系数。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述有限元模型包括不同尺寸的管板接口模型、不同厚度的管板接口模型和不同直径的管板接口模型。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述不同尺寸的管板接口模型中换热管束外伸部分长度大于式(2):
6.一种计算管壳式换热器管板接口热应力的方法，其特征在于，包括如下步骤: 根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型； 根据管板的厚度、管板的直径、所述有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和不同管板直径所对应的直径系列热应力； 根据所述有限元模型、所述不同管程温度和不同管壳程温差所对应的温差系列热应力、所述不同管板厚度所对应的板厚系列热应力和所述不同的管板直径所对应的直径系列热应力，通过非线性回归方法得到所述管板接口热应力计算模型。
全文摘要
本发明公开了一种计算管壳式换热器管板接口热应力的系统及其方法，属于管壳式换热器检测技术领域。所述系统包括有限元模型模块、计算热应力模块和热应力数值计算公式模块。所述方法包括根据管板和换热管的力学性能参数建立有限元模型；根据有限元模型、管程温度和管壳程温差，通过有限元方法，分别计算温差系列热应力、板厚系列热应力和管板直径系列热应力；根据有限元模型、温差系列热应力、板厚系列热应力和管板直径系列热应力，通过非线性回归方法得到管板接口热应力计算模型。本发明可以简单、快速地计算出常用管壳式换热器管板接口热应力，特别适合管壳式换热器检修时的安全评定，可有效提高管壳式换热器安全管理水平。
文档编号G06F17/50GK103177159SQ20131008428
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者杨锋平, 赵新伟, 罗金恒, 张广利, 苗健, 张良 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所