不同結構的船用系統緊湊高效換熱器強度和可靠性分析

王洪普，劉 濤，宋 煒，唐 旭

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

由于船舶空間有限，要求用于進行船用系統換熱的裝置具有結構緊湊、換熱效率高的特點，因此常采用緊湊高效換熱器作為船用系統換熱裝置［1］。緊湊高效換熱器又稱印刷電路板換熱器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE），由蝕刻有流體流動通道的扁平金屬板制造而成，在制造換熱器芯體時不使用墊片和黃銅金屬，蝕刻板以擴散焊的形式與殼體管嘴相連接，形成一個完整性較強的換熱器。因結構和制造的特殊性，PCHE具有安全性好、尺寸和重量小、換熱效率高、安裝和操作成本低等特點，尤其適用于壓力高、換熱量大、空間有限的場合，在FLNG（Floating Liquefied Natural Gas）裝置、FSRU（Floating Storage and Regasification Unit）再氣化模塊和燃氣供應系統高壓氣化撬塊等領域得到了廣泛應用。

近年來，PCHE因具有良好的熱力特性而成為國內外學者研究的熱點，取得了較多的成果。再氣化系統是實現LNG由液態轉換為氣態的關鍵系統，其核心換熱器為PCHE，采用多級氣化設計對LNG進行氣化和再加熱。英國Heatric公司最先研制了PCHE，該公司目前正在運行的PCHE已超過3 000臺，所占市場份額超過90%，涉及海洋油氣平臺、天然氣液化、氣化裝置、空分電廠和四代核電能量轉換實驗系統等領域。該公司擁有多條蝕刻、擴散焊接和集成建造生產線，對304/316L/2205等不銹鋼、200/201/617/625等鎳及鎳基合金、紫銅和純鈦等一系列采用不同材料體系的PCHE進行了開發，完全掌握PCHE研制技術。該公司的PCHE產品芯體最大尺寸已達到1 500 mm×600 mm×500 mm。阿法拉伐采用擴散粘合技術制造的PCHE實現高達100 MPa的設計壓力，滿足高壓條件下的使用需求。中國船舶集團有限公司第七二五研究所（以下簡稱“七二五所”）研制了國內規格最大的PCHE產品，芯體尺寸達到1 200 mm×600 mm×400 mm，具備了開展再氣化系統PCHE國產化研制的條件。針對多個領域服役性能的需求，七二五所正在開展鈦及鈦合金、鎳及鎳基合金等多種材料體系PCHE的研發。杭州沈氏節能科技股份有限公司采用真空精密高溫高壓擴散結合制造技術研制的PCHE能實現5 000 m2/m3高緊湊度，傳熱系數可達5 000 W/（m2·K）。2007年，GEYER等［2］研究了梯形通道PCHE的性能，指出該通道下的傳熱是直通道的4倍。2011年，MOHAMMED等［3］研究了不同流道形狀下PCHE的性能，指出之字形流道的壓降最大，相比曲形流道和階梯流道，之字形流道的傳熱系數最大。2014年，LEE等［4］研究了橫截面為半圓形時PCHE的應力分布情況，明確了應力集中位置和影響強度的重要因素。2018年，MAHAJAN等［5］通過PCHE的二維模型開展了換熱器不同圓角半徑和半圓形通道幾何設計研究，發現隨著圓角半徑的增大，蠕變應變指數減小。2019年，HOU等［6］研究了矩形微尺寸換熱器在不同溫度和壓力的氦和氫流體中的應力，結果發現尖端區域的應力增加明顯，認為機械應力與熱應力是同樣重要的應力源。2020年，唐旭等［7］研究了半圓形直通道芯體的靜強度和可靠性分析方法，明確了各隨機變量對換熱器可靠性的影響。2021年，李明海等［8］采用有限元法對PCHE芯體的結構進行了應力分析與優化，探討了肋寬和板厚等結構參數對PCH應力的影響規律。目前，有關PCHE的研究多集中在靜強度和可靠性方法方面，對換熱器流道形式和橫截面形狀對系統可靠性的影響缺乏進一步的研究。

本文針對PCHE芯體的4種橫截面形狀流道和流道布置形式（半圓形橫截面之字形通道、半圓形橫截面直通道、矩形橫截面之字形通道，矩形橫截面直通道），開展靜強度分析和可靠性分析，并對比其可靠性。

1 靜強度分析

1.1 換熱器芯體模型和網格劃分

某型FLNG裝置的PCHE液氮工況下，PCHE的設計參數見表1［7］；換熱器材料物性參數見表2；4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的幾何參數見圖1；換熱器材料許用應力［9］見表3。

表3 換熱器材料許用應力

圖1 不同橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體幾何參數

表1 PCHE的設計參數

表2 換熱器材料物性參數

為保證PCHE的安全性和可靠性，采用美國機械工程師學會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）發布的《ASME鍋爐及壓力容器規范》第Ⅷ卷［9］對其機械應力進行安全評估。根據該規范中有關鍋爐及壓力容器規范的要求，普通壓力容器的設計載荷需滿足

式（1）～式（3）中：P為一次應力，包括總體一次薄膜應力Pm、局部一次薄膜應力PL和一次彎曲應力Pb，僅由壓力或其他機械載荷所致；二次應力Q包括二次薄膜應力Qm和二次彎曲應力Qb，通常發生在結構不連續處，主要由熱膨脹所致。式（1）～式（3）中的應力均為基于線彈性材料模型的計算結果。

由于換熱器芯體為復雜多孔結構，本文選取采用4×4的流道布置形式的芯體進行靜強度分析，其中網格單元尺寸取0.10 mm×0.10 mm。

1.2 載荷設置

參照PCHE的液氮工況，在換熱器芯體模型的熱側流道施加2.5 MPa的壓力，在其冷側流道施加20 MPa的壓力。為降低邊界條件對應力分布的影響，換熱器芯體表面不施加任何約束，僅在計算過程的分析設置中打開弱彈簧。

1.3 路徑設置與計算結果分析

4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的應力強度分布見圖2，其中模型尺寸為8 mm×8 mm。由圖2可知，冷側流道之間的應力水平比熱側流道高，尖角處應力最大，且出現了應力集中。為更準確地提取芯體應力值進行評估，在中間冷側流道尖角處設置路徑（見圖3），提取薄膜應力和薄膜與彎曲應力之和沿路徑方向的變化曲線。

圖2 4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的應力強度分布

圖3 冷側流道路徑

4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的薄膜應力見圖4。由圖4可知：之字形通道換熱器芯體的薄膜應力略高于直通道換熱器芯體；換熱器流道的橫截面形狀對薄膜應力水平的影響較小。4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的一次應力之和沿尖角路徑的變化見圖5。由圖5可知：對于采用之字形通道的換熱器而言，一次應力沿路徑方向遞減，最大值出現在圖3中標志為1的位置處，即向x方向凸出的位置，矩形截面與半圓形截面的一次應力的應力水平相當；對于采用直通道的換熱器而言，一次應力呈對稱分布，采用矩形橫截面的換熱器芯體的一次應力高于采用半圓形截面的換熱器芯體。

圖4 4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的薄膜應力

圖5 4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的一次應力之和沿尖角路徑的變化

4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的應力水平在不考慮熱應力的情況下應滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》第Ⅷ卷的評定要求，即應力水平應滿足式（1）和式（2），評定結果見表4。靜強度分析結果表明，4種換熱器芯體均滿足該規范第Ⅷ卷的評定要求。

表4 設計工況下安全評定結果

2 可靠性分析

2.1 靈敏度分析

本文采用六西格瑪方法對4種換熱器芯體開展可靠性分析，選擇換熱器芯體的冷側流道壁厚、冷熱側流道壓力和換熱器芯體彈性模量作為隨機輸入變量，以一次薄膜應力和一次應力作為隨機輸出變量。各結構參數和載荷均視為服從正態分布的隨機變量［11］，其分布參數見表5［7，12］。各參數對換熱器應力強度可靠性的靈敏度見表6。由表6可知：冷側流道壓力Pc是影響換熱器強度可靠性最主要的因素，冷側流道壁厚δ次之；彈性模量和熱側流道壓力對換熱器強度和可靠性的影響很小。對比不同橫截面換熱器可知，冷側流道壁厚對半圓形截面換熱器強度和可靠性的影響相比矩形截面換熱器更大。

表5 隨機輸入變量的正態分布參數

表6 各參數對換熱器應力強度可靠性的靈敏度

2.2 可靠性分析結果

不同換熱器的隨機輸出變量的正態分布參數見表7；換熱器芯體一次薄膜應力、一次應力的概率分布和累積分布函數曲線見圖6。在進行可靠性分析過程中，累積分布函數是可查看可靠性的工具［13］。

圖6 概率密度和累積分布函數

表7 隨機輸出變量的正態分布參數

對于薄膜應力而言，4種換熱器的薄膜應力水平差別很小。直通道換熱器的薄膜應力水平略低于之字形通道換熱器，橫截面形狀對薄膜應力水平的影響很小。4種換熱器的薄膜應力分布概率較高的區間均為［20 MPa，50 MPa］，薄膜應力小于70 MPa的概率達到99.9%。

對于一次應力而言，之字形通道換熱器的一次應力顯然高于直通道換熱器，橫截面形狀對一次應力的影響很小。之字形通道換熱器的一次應力分布概率較高的區間為［50 MPa，90 MPa］，一次應力小于120 MPa的概率達到99.9%；直通道換熱器的一次應力分布概率較高的區間為［30 MPa，70 MPa］，一次應力小于80 MPa的概率達到99.9%。

該結果進一步說明了4種換熱器芯體均具有足夠的可靠性，滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》關于強度安全評定的要求。換熱器橫截面形狀對換熱器強度和可靠性的影響很小。直通道換熱器的可靠性比之字形通道換熱器的可靠性好。

3 結 語

本文選取4種橫截面形狀流道和流道布置形式（半圓形橫截面之字形通道、半圓形橫截面直通道、矩形橫截面之字形通道，矩形橫截面直通道）作為研究對象，分析了換熱器芯體的強度和可靠性，并對計算結果進行了對比分析。通過研究，主要得到以下結論：

1）4種橫截面形狀流道和流道布置形式換熱器芯體的應力水平在不考慮熱應力的情況下應滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》第Ⅷ卷的評定要求。之字形通道換熱器芯體的薄膜應力略高于直通道換熱器芯體的薄膜應力，換熱器流道的橫截面形狀對換熱器芯體的薄膜應力水平的影響較小。

2）冷側流道壓力是影響換熱器強度和可靠性的最主要因素，冷側流道壁厚次之，彈性模量和熱側流道壓力對換熱器強度和可靠性的影響很小。

3）對于直通道的換熱器而言，半圓形橫截面換熱器的可靠性稍高于矩形橫截面換熱器。對于之字形通道的換熱器而言，流道橫截面形狀對換熱器的可靠性沒有影響。

4）綜合考慮4種形式的換熱器，半圓形橫截面直通道形式的換熱器的可靠性最高，之字形通道的換熱器的可靠性相對較低，但其能對通道內的流體介質產生擾動，進一步提高換熱效率。因此，在設計換熱器時，應對換熱器的強度、可靠性和換熱效率進行綜合考量。