管壳式换热器是化工行业中对热量进行交换的一种化工装置,该装置中的管板因其两侧均会受到温度载荷和压力载荷的共同作用,从而导致管板的受力情况异常复杂。因此,需要准确分析出管板不同受力时的应力分布情况。本文在确保管板强度达到设计要求的情况下,对管板结构进行优化,使得换热器中管板的安全性和经济性能达到较好的平衡效果。本课题研究具体研究内容如下:首先,根据GB151-2014《热交换器》、GB150-2011《压力容器》的要求,进行换热器的整体结构设计及材料选取。使用Solid Works建立具有参数化的换热器三维模型,并利用ANSYS建立管板有限元简化模型。其次,对换热器管板传热方式进行分析,确定为稳态热传导方式。分析管板两侧均受到温度载荷影响下的温度场分布情况。分析结果表明:在管板布管区域,管板的温度在壳程侧表面有很薄的一层接近壳程工作介质温度,其余厚度上迅速变化为管程工作介质温度,这种现象称为“表皮效应”。再次,分析换热器工作过程中的不同工况及管板受到温度载荷和压力载荷的不同组合形式。对换热器不同工况下的管板进行应力分析,找出管板应力分布规律。根据JB4732对设置不同路径上的薄膜应力、薄膜应力加弯曲应力及总应力进行应力标准评定。分析结果表明:设计完成的换热器管板在所有工况下均满足要求。存在温度载荷的工况下管板应力较大,管板与其他部件连接位置应力较大。七种工况中,壳程侧阀门先关闭时,管板上的应力出现最大值,此种工况在所有工况中是最危险的。最后,为了研究哪些设计因素对管板应力分布存在影响,故针对管板布管方式,换热器工作时的工艺参数及管板厚度进行参数化分析,找出不同因素对管板应力分布的影响程度。分析结果表明:三角形布管方式拥有布管紧凑且应力较低的特点;管板厚度对管板应力影响最大,其次是温度载荷,压力载荷对管板应力影响最小。根据以上分析结果,对管板进行优化分析,换热器工作时的工艺参数是固定的,对温度载荷进行优化是不可取的。因此,对管板厚度进行优化,最终将管板厚度优化43%,达到了经济与安全兼顾的目的。对优化后的管板进行屈曲分析,验证管板的屈曲稳定情况,结果表明管板不会出现失稳现象。