石化用非金属密封式热交换器的整体抗震研究及结构改进
Integral seismic research and structural improvement of non-metallic sealed heat exchanger used in petrochemical industry
王治军，张涛，王森，王保卫，黄立龙，段琪成
Wangzhijun, Zhangtao, Zhuhaizhou, Wangbaowe,i Huanglilong, Duanqicheng
（兰州兰石换热设备有限责任公司 兰州 730000）
（Lanzhou Lanshi Heat Exchange Equipment Co. LTD Lanzhou 730000）
摘要：本文运用有限元法计算了某型号的石化用非金属密封式热交换器的固有频率，并改进其结构及零部件尺寸，使其第一阶固有频率大于33HZ，能满足石化抗震的相关要求。为后期石化用非金属密封式热交换器的设计提供了参考依据。
This paper uses finite element method to calculate the natural frequency of a certain type of non-metallic sealed heat exchanger used in petrochemical industry, and improves its structure and component size to make its first natural frequency greater than 33HZ, which can meet the related requirements of seismic resistance in petrochemical industry. It provides a reference for the design of non-metallic sealed heat exchanger used in later petrochemical industry.
关键词：非金属密封式热交换器、频率、改进、抗震
Key words:Non-metal sealed heat exchanger, frequency, improvement, seismic
热交换器广泛应用于暖通空调、化学工业、冶金工业、机械工业、电力工业、造纸工业、纺织工业、食品工业、油脂工艺、集中供热等传统行业。近年来，也被广泛应用到石化领域。热交换器按照设备的结构及焊接形式，主要分为可拆卸式非金属密封式热交换器、全焊接式热交换器、半焊接式（包括非金属密封）热交换器。
本文研究的热交换器是石化用非金属密封式热交换器。此种设备是由一系列具有一定波纹形状的金属片及非金属密封垫片以一定方式叠装而成的一种新型高效热交换器。各种板片之间形成类薄矩形通道，通过板片进行热量交换。热交换器是液-液、液-汽等介质进行热交换的理想设备。它主要由多件不锈钢板片、非金属密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、拉杆、立柱、法兰以及连接螺栓等组成。板片形式主要有人形波纹板、直线形波纹板和点窝状波纹板等。石化用非金属密封式热交换器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比列管式热交换器高3-5倍，占地面积为管式热交换器的三分之一，热回收率可高达90%以上。在热交换器中，可拆卸式热交换器应用最为广泛，主要应用于温度、压力较低的场合。在国内，相比于其它类型的热交换器，可拆卸式热交换器的制造厂家数量最多。其本身结构简洁，应用行业广泛。同时，此种设备可以拆卸。当设备运行一定时间，换热元件——板片表面积垢并影响换热效率时，即可通过拆卸设备的拉杆及其附件，将板片逐一取下，用高压水枪或特殊的化学试剂（根据板片表面结垢情况及积垢的成分，进行清洗方式的选择）清洗积垢。待清洗完成并更换新的密封垫片后，重新组装设备。对重新组装的设备试压合格后即可进行投运。此种清洗过程方便简洁，且非制造厂家的人员通过快速培训即可完成设备清洗。另外，石化用非金属密封式热交换器可多台串联或并联，满足较大换热面积的工况。
全焊接式热交换器是由多件以一定方式装配且焊接而成的不锈钢板片、承压板、压板、夹紧螺柱、螺母、冷侧半圆壳体、热侧半圆壳体、冷侧端板、热侧端板、冷侧接管、热侧接管、法兰、支架等组成。此种设备由于采用的全焊接的形式，设备没有非金属密封垫片，通过特殊的焊缝结构进行密封。因此，可以承受更高的压力和更高的温度，可适用于比可拆卸式热交换器更高温度、更高压力的工况。此种热交换器的板片带有特殊的类矩形包式波纹（类矩形包式波纹按正方形的方式排列），两张板片按一定方式组对后，在板片的长度方向进行电阻缝焊并严格控制错边量，最终形成一件板对。将这样的若干件板对，以一定方式叠加（需利用特制工装辅助叠加），然后将板片宽度方向采用氩弧焊接进行连接，再将连接件（是一种带有弧形波纹齿形的结构件，可将设备的热侧和冷侧隔开，保证设备的热侧介质和冷侧介质不发生串液）、分程件（是一种带有齿形的平板结构件，可将进入设备的介质分为若干程，满足不同的换热需求）等装配焊接在板片长度方向上，最终形成核心传热部件——换热芯体。此时，由板片的长度方向观察，介质流道类似于圆管状，可以理解为管壳式热交换器的管程；板片的宽度方向流道，可以理解为管壳式热交换器的壳程。通过调整板对的数量，可以满足不同的换热面积需求。在板片的长度方向设置管侧壳体，壳体形式通常为半圆形，并且壳体上带有介质进出口的接管及法兰；在板片的宽度度方向设置板侧壳体，壳体形式通常为半圆形，并且壳体上带有介质进出口的接管及法兰。上述的管侧壳体和板侧壳体相互独立，保证冷热侧介质不会串液。但此种热交换器受限于全焊接的形式，当设备运行一定时间，换热元件——板片表面积垢并影响换热效率时，不能对板片表面逐一清洗，只能通过介质进出口对设备进行清洗。
半焊接式热交换器是由多件焊接板对、多件不锈钢板片和非金属密封垫片装配的非焊接板对、固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、立柱、法兰以及连接螺栓等组成。此种设备结合了可拆卸式热交换器和全焊接式热交换器的优点，在设备的一侧流道为焊接形式，另一侧流道为板片加密封垫片形式。可将容易结垢的介质布置在板片加密封垫片的流道，压力、温度较高的介质布置在焊接的流道。容易结垢的介质所在流道可以按可拆卸式热交换器的方式进行清洗。上述焊接形式的流道由具有特殊波纹结构的板片组对。组对的板片长度方向通过电阻焊接的方式进行连接，因为采用了焊接的方式，可适用于高温高压工况。上述密封垫片的流道，由两件焊接后的板对外加密封垫片形成，此侧流道适用于容易结垢的介质。当设备运行一定周期后，密封垫片的流道结垢影响换热效率，此时可以先拆卸设备外部框架，再拆卸密封垫片，采用高压水枪或专用清洗试剂清洗此侧流道。最后将清洗后的板对按原顺序装配，并将外部框架也按原结构装配。此时，设备可再次投入运行。当然，半焊接式热交换器的焊接流道侧同全焊接式热交换器一样，由于采用了焊接形式，故无法拆卸清洗。
本文主要研究适用于石化行业的非金属密封式热交换器。在石化行业，热交换器为了实现热交换，通常直接与锅炉、压缩机、泵等动设备连接。动设备由于其运行特点，在投入运行后即刻产生较大震动，这就要求与其连接的可拆卸非金属密封式热交换器必须能够承受此种震动。这也是热交换器应用在石化行业和其它行业的最大区别。
因此，石化行业对抗震要求严格，经常要求热交换器的第一阶固有频率大于33HZ。这就需要我们改进热交换器的结构，以达到石化装置的要求。结合某项目，我们选取某型号的热交换器，利用有限元方法先计算其固有频率和对应的模态，然后改进热交换器的结构及零部件尺寸，再计算改进后的热交换器的固有频率，以此来验证结构改进的合理性。
一、分析计算的理论基础
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、 谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
模态分析理论基础
在有限元分析程序中，振动方程表示为:[M]｛
｝+[C]{
}+[K]｛u｝=0
该方程可作为特征值问题看待，对于无阻尼情况，则该方程可简化为：（[M]-
｛u｝=0 。其中，
表示特征值;｛u｝表示特征向量,在振动的物理过程中表示振型，表示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系。
对于有阻尼的情况，振动方程可转化为：
（[M]+t）｛u｝=0
以上各式中：
[M]为结构的质量阵；[C]为结构的阻尼阵；[K]为结构的刚度阵；｛u｝为结构的位移阵；{
} 为结构的速度阵；｛
｝为结构的加速度阵；
模态分析就是求解振动方程的特征值，进而求得结构的固有频率
和位移阵｛u｝即结构的振型。
振动方程的特征根方程可表达为:
det
上式即为无阻尼振动系统的特征方程。求解特征值问题的方法很多,如矩阵迭代法、雅可比法、QL法、QR法等等。
固有频率和振型是表示振动系统特征的重要物理量,是进行热交换器结构设计必不可少的参数。对于热交换器这样的多自由度的大型系统，求出其全部固有频率和振型向量是极其困难的。系统较低的若干阶固有频率及其相应的振型向量对其动态响应的贡献最大,故在研究系统的响应时，只需要了解少数的固有频率和振型向量。
模态提取方法
有限元软件模态分析的模块中提供了多种模态提取方法,选择适当的提取方法对热交换器进行模态分析很重要,它将直接影响求解的速度和精度。以下将比较几种常见的模态提取方法:
1、子空间迭代法用于求解特征值对称的大矩阵的问题。
2、兰索斯法也可用于以上问题,且收敛速度更快。
3、凝聚法采用缩减的系统矩阵来求解,较子空间叠代法速度快,但准确性要差一些。在这种方法里,结构可用主自由度来表示,这样就只产生较小的矩阵。在处理完整矩阵时,如遇到内存不足或磁盘空间不够等情况,可以选择凝聚法。使用凝聚法时,必须仔细选择主自由度,如果主自由度选择不当，可导致错误的质量分布和错误的特征值。
4、非对称矩阵法用于求解模型生成的刚度阵和质量阵不对称的问题。如在声学及流体结构藕合分析中出现的这种情况。
比较常用的方法是子空间迭代法和兰索斯法,这两种方法能使大部分的模态分析得到很好的解决,非对称矩阵法只用于某些特殊的场合。兰索斯法博采众长,它采用稀疏矩阵求解器,运算速度快,输入参数少,特征值、特征向量求解精度高。故本文采用兰索斯法方法提取热交换器模态。
二、分析计算过程
（一）计算原结构的固有频率并分析计算结果
利用ANSYS workbench 15.0建立三维有限元模型，将板片和非金属密封垫的质量平均分配到固定压紧板和活动压紧板，用solid186单元和solid187单元划分网格，共划分184875个单元，666656个节点，对底板施加固定约束。原结构的有限元模型如图1.1所示，原模型的拉杆尺寸为2200mm。用兰索斯法提取结构前6阶模态。前6阶固有频率如表1-1所示，对应的模态如附图1--附图6所示。
图1.1 有限元模型
表1-1 前6阶固有频率
阶数 | 频率 |
1. | 27.679 |
2. | 27.892 |
3. | 28.056 |
4. | 28.133 |
5. | 28.199 |
6. | 28.275 |
附图1 原结构第一阶固有频率
附图2 原结构第二阶固有频率
附图3 原结构第三阶固有频率
附图4 原结构第四阶固有频率
附图5 原结构第五阶固有频率
附图6 原结构第六阶固有频率
从计算结果可以看到，第一阶固有频率为27.679Hz，达不到33Hz。因此需要改进原结构，以提高第一阶固有频率。从附图1-附图6中，可以看出大变形主, 要集中在四根长拉杆。
（二）改进结构
根据原结构的计算结果，对原结构做出如下改进：
1、将四根长拉杆的尺寸由2200mm减为2100mm。
2、在立柱上增加8块筋板，以增加立柱的刚性。
筋板的尺寸为223mmX120mmX20mm，筋板的间距为430mm，筋板的位置如图2.2.1所示。
3、在固定压紧板和活动压紧板之间焊接两根槽钢，以增加结构刚性，槽钢的位置如图2.2.1所示。
图2.2.1 新结构三维图
（三）计算新结构的固有频率并分析计算结果
利用ANSYS workbench 15.0建立三维有限元模型，将板片和非金属密封垫的质量平均分配到固定压紧板和活动压紧板，用solid186单元和solid187单元划分网格，共划分159020个单元，605552个节点，对底板施加固定约束。新结构的有限元模型如图2.3.1所示，用BLOCK LANSUC法提取结构前6阶模态。新结构的前6阶固有频率如表2-1所示，对应的模态如附图7--附图12所示。
图2.3.1新结构的有限元模型
阶数 | 频率 |
1. | 34.724 |
2. | 34.936 |
3. | 34.96 |
4. | 34.975 |
5. | 34.984 |
6. | 35.037 |
表2-1新结构的前6阶固有频率
从计算结果可以看到，第一阶固有频率为34.724Hz，超过了33Hz，证明新结构满足抗震性要求。
附图7 新结构第一阶固有频率
附图8 新结构第二阶固有频率
附图9 新结构第三阶固有频率
附图10 新结构第四阶固有频率
附图11 新结构第五阶固有频率
附图12 新结构第六阶固有频率
三、结论
由上述分析计算结果可以看出，适当减短拉杆长度、在立柱上增加筋板、在固定压紧板和活动压紧板之间焊接金属型钢，可以提高热交换器整体结构的固有频率，可以使之满足抗震要求。这为后期此类设计工作带来了新思路。
参考文献：
[1] 邱亮 郝剑虹.热交换器综述及试验性能提升效果研究[J].《专用汽车》 ，2024，01：86-88.
第一作者：王治军，男，出生地：辽宁朝阳，工程师，主要研究焊接式板式热交换器、可拆卸卸板式热交换器、板式空气预热器的结构设计与分析。
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