全焊接金属密封热交换器的疲劳特征探索
Exploration of fatigue characteristics of all-welded metal sealed heat exchangers
黄立龙，李治国，王保卫，安克鹏，许德强*，高海亮
Huanglilong, Lizhiguo, Wangbaowei, Ankepeng, Xudeqiang, Gaohailiang
（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：本文运用分析软件对全焊接金属密封热交换器进行了疲劳特性分析，通过特殊的分析思路，验证了此种设备在相应压力循环下是否疲劳，以及最易疲劳的位置处于设备的何处。
Abstract:In this paper, the fatigue characteristics of the all-welded metal sealed heat exchanger are analyzed by using the analysis software. Through the special analysis idea, whether the equipment is tired under the corresponding pressure cycle, and where the fatigue is most easy to be located in the equipment.
关键词：全焊接金属密封热交换器、模拟分析、疲劳特征
Key words:All-welded metal sealed heat exchangers, simulation analysis, fatigue characteristics
全焊接金属密封热交换器广泛应用于化工、采暖、炼油、食品、电站、纺织、氧化铝、新材料等行业。其主要由热交换薄板、分程挡板、分程圆钢、冷热侧分隔用弧形连接板、冷热侧分隔用半圆封板、支撑套管、夹紧螺柱、夹紧螺母、热侧半圆壳体、冷侧半圆壳体、热侧半圆端板、冷侧半圆端板、热侧半圆折流板、冷侧半圆折流板、折流板装配用卡子、起吊支耳、热侧加强筋、冷侧加强筋、波纹式热补偿器、整体式承压板、整体式碳钢压板、框架式型钢支架、冷侧接管、热侧接管、法兰、排气管口、排污管口等构成。
全焊接金属密封热交换器的最大特点在于：设备全部焊接而成，不使用非金属密封。突破了受限于非金属密封材料的特性影响，不能用于高温高压的工况。因此，此种设备可适用于工况的苛刻程度远高于非金属密封类的热交换器。
全焊接金属密封热交换器的热交换原件为一体压制成型且无任何拼接的金属薄板。金属薄板经过特殊的模具一体压制成型并按NB/T 47013.5-2015的要求进行相应液体渗透检测合格后，开始设备芯体的装配。首先将两件压制后的金属薄板按一定方式配对并对长度方向采用电阻焊接进行装配，形成板对。装配后检查两件金属薄板的错边量，保证在合格范围内。然后按此方式制作其余板对。接着，将制作完成的板对进行叠加码装，形成芯体。必须保证芯体4个侧面的错边量在合理范围内。再接着，将冷热侧分隔用弧形连接板装配在芯体的四个角上 见图所示 ；将分程隔板、分程圆钢装配在芯体的相应位置。此时，将整体式承压板装配在芯体的上下表面并焊接。紧接着，装配焊接冷热侧分隔用半圆封板。冷热侧分隔用半圆封板的圆弧朝向芯体外侧。
此时开始芯体外围部分的装配。先将支撑套管、波纹式热补偿器装配在两件整体式承压板之间并焊接，对焊接接头按NB/T 47013.5-2015的要求进行相应液体渗透检测。检测合格后，进行折流板装配用卡子的装配，卡子与支撑套管断续焊接。再进行热侧半圆壳体和热侧半圆端板、热侧加强筋、接管、法兰、排气管口、排污管口装配焊接（形成热侧壳体组件）；冷侧半圆壳体和冷侧半圆端板、冷侧加强筋、接管、法兰、排气管口、排污管口的装配焊接（形成冷侧壳体组件）。接着进行热侧半圆折流板、冷侧半圆折流板的装配。然后将热侧壳体组件、冷侧壳体组件分别于上述芯体、整体式承压板组成的部件进行装配焊接并对焊接接头进行相应射线检测。检测合格后，装配整体式碳钢压板（将起吊支耳提前焊接在整体式碳钢压板表面）。通过整体式碳钢压板的圆孔进行夹紧螺柱和夹紧螺母的装配并紧固。再然后对设备冷、热侧分别进行压力试验。最后装配框架式型钢支架。
根据全焊接金属密封热交换器的结构特点，在其运行前需检查设备冷、热侧内部是否存在异物，若有需及时清除。待设备冷热侧接管与外部管线连接完毕后，先缓慢通入冷侧介质，以每小时升温速率不高于40摄氏度进行冷侧介质流量的控制，同时注意检查设备有无异常，若有异常及时停止；待冷侧介质流量达到额定流量的百分之五十时，开始缓慢通入热侧介质并以每小时升温速率不高于40摄氏度进行热侧介质流量的控制。此时，冷侧介质按上述要求持续通入，不得停止。冷、热侧介质均按上述要求同时通入，直到冷热侧介质流量均达到额定流量，此过程中持续检查设备，若有异常，及时停止。此时，检查并记录设备冷侧进出口的压力和温度、热侧进出口的压力和温度是否符合工艺要求。若均符合工艺要求，则进入正式运行阶段。在正式运行阶段需进行经常性的检查工作，主要包括：设备外部有无“跑、冒、滴、漏”等异常状况；设备有无异常振动；设备冷热侧压力温度等参数是否符合工艺要求。设备运行一段时间或到检修期时，需先将设备冷热侧与外部管线断开，缓慢减少冷热侧介质的通入，冷热侧介质流量的减少需每小时降温速率不高于40摄氏度进行控制。待设备温度降至室温时，通过冷热侧介质进出口检查设备内部积垢状况。根据积垢状况及介质成分特性，选择高压水枪清洗或专用化学试剂清洗积垢。积垢清洗完成后，通过设备的排污管口进行排出（排出的清洗废液需排入指定位置），并用压缩空气将设备内部吹干。最后将设备冷热侧接管与外部管线进行连接，并按上文的要求再次开车，直至设备运行正常。
若设备运行较长时间，出现介质外泄或冷热侧介质互串的状况，需分情况进行处理。
若出现介质外泄，则先缓慢减少冷热侧介质的通入，直至完全停止介质的通入。此时将设备冷热侧接管与外部管线断开。待设备温度降至室温时，将设备本体起吊至安全区域。检查设备外表面介质泄漏的区域并做好标记。拆卸设备的夹紧螺柱并取下压板。将设备内部的介质残液排放干净并用压缩空气将设备内部吹干。对设备冷热侧分别进行水压试验。试验时应缓慢升压，试验用水的氯离子含量应当小于20毫克每升，试验用水的温度应当大于5摄氏度。保压时检查设备外表面，若有泄漏做好标记。泄漏点通常位于半圆壳体和承压板的焊接接头区域或支撑套管和承压板的焊接接头区域或半圆端板和半圆壳体的焊接接头区域。将压力试验的水排放干净并将设备内部用压缩空气吹干。首先对标记区域采用铣刀铣透并打磨坡口，然后采用氩弧焊进行补焊，最后对补焊区域进行液体渗透检测。
若出现设备冷热侧介质互串的情况，先缓慢减少冷热侧介质的通入，直至完全停止介质的通入。此时将设备冷热侧接管与外部管线断开。待设备温度降至室温时，将设备本体起吊至安全区域。对设备管侧进行水压试验，试验时应缓慢升压，试验用水的氯离子含量应当小于20毫克每升，试验用水的温度应当大于5摄氏度。保压时检查设备板侧所有焊缝及连接部位，对泄漏区域进行标记。如果连接板处出现泄漏，采用铣刀将缺陷处铣透，并用氩弧焊补焊；如果换热芯体的流道出现泄漏，在其短边处采用镶条封堵焊接。
以上为行全焊接金属密封热交换器的结构特点等信息，现进行此设备的疲劳特征研究。结合某项目进行全焊接金属密封热交换器的疲劳特征分析，具体如下：
1.背景和目的
首先结合项目绘制全焊接金属密封热交换器的三维模型。为验证设备的结构尺寸在7000次压力循环下是否会发生疲劳，现用国际通用有限元大型结构分析软件solidworks simulation建模计算。
2.设计参数及设计温度下的材料参数
2.1设计参数如表1.
设计压力( MPa) | 4.5 |
设计温度(℃) | 150 |
表1设计参数
2.2在设计温度150℃下的材料参数。
设计温度150℃下的材料参数如表2所示，其中的应力强度许用极限Sm取自GB/T 150.2-2011（第62页）的表11，其中的弾性模量取自GB/T 150.2-2011（第84页）的表B.13。
材料名称 | 弹性模量（Pa） | 泊松比 | 应力强度许用极限Sm（MPa）, |
S31603 | 1.86x1011 | 0.3 | 117 |
Q355B | 1.94x1011 | 0.3 | 183 |
35CrMoA | 2.02x1011 | 0.3 | 185 |
表2（表中S31603为壳体材质、Q355B为压板材质、35CrMoA为夹紧螺柱材质）
3.有限元模型
分网均采用自适应网格solid186实体单元，具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网（例如通过不同的CAD/CAM 系统建立的模型）。单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。SOLID187可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性, 蠕变，应力钢化，大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。
共划分1069681个单元、1712547个节点。壳体的有限元模型如图3.1所示。在受压面施加设计压力4.5MPa.
图3.1有限元模型
4.应力结果及评定
经计算，应力云图如图4.1所示，位移云图如图4.2所示。寿命图如图4.3所示，显示该设备可承受的最大循环次数为11754次。最容易发生疲劳的位置在连接板处，如图4.4所示。
图4.1应力云图
图4.2位移云图
图4.3寿命图
图4.4最容易发生疲劳的位置
结论
通过上述的疲劳分析，设备的疲劳次数大于工况要求的7000次，符合设计要求。同时，验证了易发生疲劳的薄弱点位于设备的连接板处。若要增大设备的抗疲劳能力，即需优化连接板的结构。
参考文献：
[1] 王佳旭.冷热原油顺序输送管道热应力与疲劳寿命分析[J].《辽宁石油化工大学学报》，2024，02：30-33.
[2] 李海胜.换热器疲劳分析方法研究[J].《设备管理与维修》 ，2023，07:43-47.
第一作者：黄立龙，男，出生地：甘肃民勤，工程师，主要研究焊接式板式热交换器、可拆卸板式热交换器、板式空气预热器的有限元分析、热应力分析。
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