基于XFEM方法的换热器管板板子开裂数值模拟

2015-07-27李丁王华明余江涌殷先华彭晓波陈善武

中国特种设备安全 2015年7期

李丁王华明余江涌殷先华彭晓波陈善武

（湖南省特种设备检验检测研究院长沙 410011）

管壳式换热器是化工、炼油、动力、原子能和其它工业部门广泛应用的一种工艺设备。在运行过程中由于介质和应力的原因常出现管板开裂现象。通过对近几年中石化成套承压装置中失效换热器进行分析总结，发现大多数换热器由于管板处存在多处裂纹而导致泄漏。本文应用有限元方法对管壳式换热器管板管子开裂基于XFEM方法数值模拟，并与实际管板开裂进行对比，揭示管板开裂的力学原因[1]。

XFEM是迄今为止求解不连续力学问题最有效的数值方法，所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格划分带来的困难[2]，本文基于XFEM方法，分析潜在的裂纹生成和扩展区域，为确定事故原因提供一定的参考依据。

1 工程实例[3]

某中压废锅在事故后检查存在泄漏现象，管板上半部管口沿孔桥方向出现多处辐射状裂纹，就整个管板而言，裂纹集中分布于管板的A面（与变换气接触的一面）的上半部和A面下半部的第一排，管板的B面（与工艺冷凝液接触的一面）在其上半部仅有几条裂纹。对泄漏部位抽出的管子进行宏观检查，发现这些管子贴胀部位外表面均存在大量的表面缺陷，大部分已形成裂纹，有的已穿透管壁，裂纹处无塑性变形，管子外表面呈黑色；而位于废锅壳程内的U型换热钢管未发现开裂现象。裂纹形貌及位置如图1、图2所示。

图1 管板表面裂纹

图2 贴胀部位管子裂纹

2 有限元模型的建立

2.1 换热器设计参数[4-5]

换热器的相关设计参数见表1。

表1 换热器设计参数

换热器管板为0Cr18Ni10Ti（锻件）、管子材料为1Cr18Ni11Ti，通过查阅GB 150—2011《压力容器》、NB/T 47010—2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》、GB13296—2013《锅炉、热交换器用不锈无缝钢管》获得管板和管子材料的力学性能（其中许用应力选取时考虑高温下两种材料的Rp0.2），如表2、表3所示。由于该换热器在实际使用中温度接近设计温度，因此本文有限元模拟中采用设计温度下的材料力学性能参数。

表2 管板材料在设计温度下（475℃）的力学性能

表3 管子材料在设计温度下（475℃）的力学性能

2.2 几何模型的建立

依据提供的CAD图纸，建立管板以及管子的3维CAD模型。其中，根据结构的对称性，建立1/4对称模型；管板上孔的直径为25mm；管板直径1600mm，厚度290mm；管子直径为25mm，壁厚2mm，长度取值为580mm。

采用最大主应力损伤准则（MAXPS）和Power Law损伤演化准则定义裂纹的萌生和扩展行为。其中：

MAXPS/MPa Damage Evolution（Power Law）GIC（N/mm） 42.2 GIIC（N/mm） 42.284.4 GIIIC（N/mm） 42.2系数 1.0

图3 三维几何模型

2.3 载荷和约束

由于取的是1/4模型进行计算，因此首先需要施加对称边界条件。管板外侧固定约束，由于管子的长度为有限长度，而实际中长度会更大，因此这里采用Z方向的对称约束来模拟此情况。在管子内壁施加4.7MPa的压力载荷，并对所有结构施加20℃-475℃温度的变化。

图4 XFEM计算区域

图5 边界条件和载荷

图6 温度载荷

3 计算结果分析

对管子采用shell单元模拟，对管板采用solid单元模拟，整个管板与管子联接模型共218140单元，268758节点，其中138300 C3D8R实体单元，79840S4R壳单元。在温度载荷和压力载荷的共同作用下，在结构的局部出现了可见裂纹；可以看出，结构的最大位移为3.6mm，出现在最外侧一圈的管子顶端。其中管板的最大位移为3mm出现在管板的中心位置。图中可以看出，最大应力基本出现在管桥最薄的方向，因此这些位置是薄弱环节，非常容易出现裂纹。红色单元表示出现裂纹的单元，并且可以看到，裂纹已经贯穿了整个壁厚。

图7 管板的位移云图

图8 管子的位移云图

图9 管板的最大主应力云图

图10 管子的Mises应力云图

图11 管板裂纹位置（红圈部位）

图12 管板裂纹放大图

可以看出，管子的最大应力也出现在最外侧一圈的管子上，与出现裂纹的孔的位置基本一致。因此在这些管子上，也可能会出现裂纹。因此需要对管子再次进行详细分析。采用submodel方法，利用整体模型计算的位移结果，对最危险的单个管子进行详细分析。取在整体模型中产生裂纹位置的管子，建立实体模型，壁厚为2mm，外径25mm，长度580mm。材料参数与整体模型保持一致，整个管子认为可以进行裂纹扩展。将管子用实体单元细化，共19200个C3D8R实体单元。如图所示，红色圆圈的位置已经产生了裂纹。但管子的裂纹位置与管板的孔壁的裂纹位置，并不完全一致。管子的裂纹出现在管子的中部，即管板的上表面附近；而管板孔壁的裂纹则出现在管板厚度方向的中间位置。从局部放大图中可以看出，裂纹已经贯穿整个管子的壁厚。