管壳式换热器广泛应用于石油、化工等行业,是最重要的传热设备,多用途再液化气船BOG再液化系统冷箱的核心设备——U型管换热器,因其工作温度低,结构强度受温差应力影响较大,为保证低温换热器的安全运行,有必要对其重点部件进行结构强度分析研究。结合管壳式换热器分析设计标准,采用有限元数值分析法,建立了以管板为中心的、包括换热管-管板-法兰-壳体的有限元三维模型,并根据实际情况确定了载荷和边界条件。在此基础上,对模型进行了温度场分析,并针对低温换热器开停车以及正常运行时7种操作工况结构应力强度分析与强度校核,并基于校核结果对低温换热器进行优化改进。通过温度场分析得到各部件温度分布规律:管板布管区壳程侧温度梯度很大,在靠近管程侧的大部分厚度方向上温度梯度变化平缓,在非布管区温度近线性变化;换热管受管板影响,布管区边缘的换热管沿轴线方向温度变化缓慢,靠近管板中心区的大部分换热管在壳程侧与管板相接处温度梯度很大;法兰温度分化集中在靠近管板的有限距离内,圆角过渡区温度变化较大。通过7种工况下结构强度分析,发现最危险工况发生在温度载荷和壳程压力共同作用时;温度载荷给管板造成了很大的热应力,成为整个管板系统应力分布的主导因素,壳程压力整体应力恶化起了增益作用,而壳程压力稍微削弱了这种恶化;压力载荷对低温换热器结构强度较小。温度载荷存在时,换热管应力强度最大值出现在内壁面刚伸出壳程侧管板处,管程出口侧法兰圆角过渡处应力强度值较大,压力载荷对法兰热应力起到削弱作用。通过对各种工况下的结构强度进行校核发现,温度载荷与壳程压力共同作用时,低温换热器管板壳程进口侧布管区与非布管区交界处应力值超过了三倍的许用应力,强度校核不合格。为了改善管板热应力恶化状态,本文对低温换热器管板进行了优化改进,将管板减薄10%,强度校核满足要求。