管殼式廢熱鍋爐薄管板的熱應力分析

葉增榮

(南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京 210033)

0 引言

廢熱鍋爐是硫磺回收裝置中的關鍵設備之一，通過廢熱鍋爐不但可以對高溫工藝氣體進行冷卻，同時又可以回收高溫氣體的熱能產生蒸汽。管板是廢熱鍋爐重要的承壓元件之一，也是在使用過程中容易損壞的重要元件。特別是高溫工藝氣入口端管板，既要承受高壓，又要經受高溫介質的作用，工作條件非?？量蹋?］。廢熱鍋爐管板在高溫高壓，特別在高溫載荷的工況條件下，管板會受到很大的熱應力。文中選擇某臺硫磺回收裝置中的管殼式廢熱鍋爐，對含有管板及管頭高溫熱防護結構的熱端管板及不含高溫熱防護結構的冷端管板進行了比較精確的熱應力分析。

1 結構與參數

該廢熱鍋爐基本設計參數見表1，材料導熱系數見表2。廢熱鍋爐管板采用薄管板結構，管板與筒體通過圓弧過渡結構形式連接，目的在于緩和結構不連續區的應力集中［2］。廢熱鍋爐及管板結構尺寸見圖1，2。

表1 基本設計參數

表2 材料導熱系數

該廢熱鍋爐工藝氣進口溫度800℃，出口溫度320℃，為避免高溫過程氣對高溫管板的沖刷，在高溫管板管程側表面澆注100 mm厚耐高溫的氣硬性耐火隔熱澆注料。在換熱管管頭處設置了陶瓷材料的保護內套管，保護套管插入換熱管內100 mm。換熱管內壁和保護套管外壁之間填塞高鋁型耐火陶瓷纖維紙，以確保高溫氣流不會與管板或靠近管板端的換熱管接觸。由于高溫的陶套管與相對低溫的管頭接觸，容易造成陶瓷套管碎裂，在耐火澆注料與換熱管管頭之間又增加了陶瓷保護外套環，起緩沖作用［1，3］，見圖 3。

圖1 廢熱鍋爐結構示意

圖2 管板結構尺寸示意

2 計算工況

圖3 管板及管頭高溫保護結構示意

選擇廢熱鍋爐熱端管板及冷端管板，按溫差載荷單獨作用、殼程壓力和溫差載荷同時作用、管程壓力和溫差載荷同時作用以及管、殼程壓力和溫差載荷同時作用等4種工況進行計算。

3 有限元模型

3.1 有限元模型的建立［2，4－6］

根據廢熱鍋爐結構的特點，有限元模型做如下簡化:(1)根據結構對稱性及承載特性，有限元模型取該廢熱鍋爐周向的1/4，筒體與換熱管長度取殼程總長度的1/2;(2)假設管板與換熱管為全焊透結構，單元是相互連接的，不考慮接觸關系;(3)假設陶瓷保護內套管與換熱管之間不存在間隙;(4)應力計算時不考慮高溫熱防護結構與廢熱鍋爐承壓元件間變形不一致問題。

本次分析共建立兩種有限元模型:

(1)高溫側模型:除包括熱端管板、換熱管、殼程筒體、筒體外保溫外，還包括管板及管頭高溫熱防護結構(耐火隔熱澆注料、陶瓷保護內套管、陶瓷保護外套環)，見圖4(a)。

圖4 高溫側及低溫側模型圖

(2)低溫側模型:包括冷端管板、換熱管、殼程筒體、筒體外保溫，見圖4(b)。

3.2 單元的選取

兩種模型溫度場分析都采用的是8節點六面體熱分析單元Solid 70，熱應力場分析都采用的是8節點六面體結構分析單元Solid 45。高溫側及低溫側模型網格劃分見圖5。

圖5 高溫側及低溫側模型網格圖

3.3 邊界條件［7－10］

3.3.1 溫度場邊界條件

(1)高溫側模型

在管程側耐火隔熱澆注料表面施加對流傳熱系數72 W/(m2·℃)及溫度800℃;在陶瓷保護內套管的內表面及換熱管伸出陶瓷保護內套管的內表面施加對流傳熱系數72 W/(m2·℃)，管內溫度假定從進口至出口溫度均勻下降，按函數關系式T=(800－0.06xZ)℃在換熱管內表面施加，其中0.06為溫度均勻下降的斜率;在殼程殼體內表面，殼程側管板表面施加對流傳熱系數1733 W/(m2·℃)及溫度257℃;由于殼程內鍋爐水受熱沸騰變為中壓飽和蒸汽是有相變的傳熱過程，這類傳熱過程的特點是相變流體要吸收大量的潛熱，但流體溫度不發生變化，此外液體沸騰產生的氣泡在傳熱壁面不斷增大、脫離和形成攪動，可以加快壁面的傳熱速率，因此傳熱膜系數比沒有相變時大大增加，取換熱管沿殼程方向伸出管板部分的外表面施加對流傳熱系數12287 W/(m2·℃)及溫度257℃;殼程殼體保溫層外表面施加對流傳熱系數10 W/(m2·℃)及溫度20℃。

(2)低溫側廢熱鍋爐

在管程側管板表面施加對流傳熱系數72 W/(m2·℃)及溫度320℃;在換熱管內表面施加對流傳熱系數72 W/(m2·℃)，溫度按T=(320+0.06xZ)℃在換熱管內表面施加;在殼體內表面，殼程側管板表面施加對流傳熱系數1733 W/(m2·℃)及溫度257℃;換熱管沿殼程方向伸出管板部分的外表面施加對流傳熱系數12287 W/(m2·℃)及溫度257℃;殼體保溫層外表面施加對流傳熱系數10 W/(m2·℃)及溫度20℃。

3.3.2 應力場邊界條件

兩種模型根據工況分別在管程側管板表面、換熱管內表面施加壓力0.5 MPa;殼程側管板表面、換熱管沿殼程方向伸出管板的外表面、殼程筒體內表面施加壓力4.9 MPa;同時將熱分析所得到的節點溫度作為體積載荷施加到對應節點上。

3.3.3 對稱邊界條件

兩種模型均在殼程筒體端面和換熱管端面約束Z向(沿換熱管長度方向)位移;在結構的XOZ和YOZ面加上對稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。

4 分析結果

4.1 工況一(溫差載荷作用工況)

高溫側模型溫度場云圖見圖6，7，應力分布云圖見圖8，9;低溫側模型溫度場云圖見圖10，應力分布云圖見圖11，12。

圖6 高溫側模型溫度場云圖

圖7 除去保溫層后的溫度場云圖

圖8 高溫側模型應力分布云圖

圖9 熱端管板應力分布云圖

圖10 低溫側模型溫度場云圖

圖11 低溫側模型應力分布云圖

圖12 冷端管板應力分布云圖

溫差載荷單獨作用工況下，高溫側模型沿隔熱澆注料及管板厚度方向溫度變化曲線見圖13;低溫側模型沿管板厚度方向溫度變化曲線見圖14。圖中A－A線表示管板圓弧過渡區沿厚度方向的溫度梯度變化;B－B線表示管板布管區孔橋處沿厚度方向的溫度梯度變化。由圖13可知，耐火隔熱澆注料對軸向傳熱有明顯的熱阻作用，減緩了管板兩側過大的溫差。在管子進口端插入的一段陶瓷保護內套管，也使高溫過程氣直接進入浸泡在汽水混合物的管子內，極大地降低了管頭及管板的溫度。由圖14可知，低溫側模型溫度梯度線較為平緩，說明由于管板的厚度不大，沿著管板厚度方向傳熱良好。

圖13 熱端管板(包括隔熱澆注料)沿厚度方向溫度變化曲線

圖14 冷端管板沿厚度方向溫度變化曲線

熱端管板上的應力最大值發生在近中心處管板與換熱管連接接頭處，此外，在管板邊緣圓弧過渡區轉角內外表面的應力值也較高，布管區邊緣的換熱管越接近管板圓弧過渡區，相應轉角部位的應力值明顯增大。如圖15所示，取布管區中心、布管區中部及布管區邊緣的3根換熱管為例，研究換熱管外壁面應力分布發現:在與管板連接區域附近，換熱管應力出現較大變化，而沿軸向方向遠離與管板連接的區域，換熱管應力分布均勻，變化緩慢;此外，在管頭處并不是所有管子的應力分布都相同，而是管板中心及近中心位置的換熱管應力高，布管區邊緣處換熱管應力低。

圖15 熱端換熱管外壁應力沿軸向分布曲線

冷端管板上的應力最大值發生在管板邊緣圓弧過渡區轉角處內表面，由計算結果知，低溫側溫差應力并沒有在冷端管板上產生較高的熱應力。

4.2 工況二(殼程壓力和溫差載荷同時作用工況)

高溫側模型應力分布云圖見圖16，17;低溫側模型應力分布云圖見圖18，19。

圖16 工況二高溫側模型應力分布云圖

圖17 工況二熱端管板應力分布云圖

圖18 工況二低溫側模型應力分布云圖

圖19 工況二冷端管板應力分布云圖

在溫差載荷和殼程壓力共同作用的工況下，冷、熱端兩塊管板上的應力最大值均發生在管板邊緣圓弧過渡區轉角內表面上。在與管板連接區域附近，換熱管應力出現較大變化，而沿軸向方向遠離管板的區域，換熱管應力分布均勻，變化緩慢;此外，管頭處換熱管的應力變化為中心及近中心處應力值低，邊緣處換熱管應力高，見圖20。

圖20 熱端換熱管外壁應力沿軸向分布曲線

4.3 工況三(管程壓力和溫差載荷同時作用工況)

高溫側模型應力分布云圖見圖21，22;低溫側模型應力分布云圖見圖23，24。

圖21 工況三高溫側模型應力分布云圖

圖22 工況三熱端管板應力分布云圖

在溫差載荷和管程壓力共同作用的工況下，由于管程壓力值很小，冷、熱端兩塊管板上的應力分布與溫差載荷單獨作用的工況相似。

圖23 工況三低溫側模型應力分布云圖

圖24 工況三冷端管板應力分布云圖

4.4 工況四(管、殼程壓力和溫差載荷同時作用工況)

高溫側模型應力分布云圖見圖25，26;低溫側模型應力分布云圖見圖27，28。

圖25 工況四高溫側模型應力分布云圖

圖26 工況四熱端管板應力分布云圖

圖27 工況四低溫側模型應力分布云圖

圖28 工況四冷端管板應力分布云圖

在溫差載荷和管、殼程壓力共同作用的工況下，由于管程壓力值很小，冷、熱端兩塊管板上的應力分布與在溫差載荷和殼程壓力共同作用的工況相似。

由表3知，在以上4種計算工況中，冷、熱端兩塊管板應力最大的工況均為溫差載荷與殼程壓力同時作用的工況二。此外，由4種工況的對比可知，熱端管板受溫差載荷產生的熱應力影響較大，冷端管板受溫差載荷產生的熱應力影響很小。

表3 4種工況下高、低溫管板應力強度最大值比較

5 討論

(1)對于承受較大溫差應力的管殼式廢熱鍋爐薄管板，增加管板的轉角半徑R值，可以部分地補償換熱管管束與殼體因溫差變形不一致而產生的熱應力，但是轉角半徑R值加大，要么減少布管區范圍，要么加大殼體直徑，設計時有一定的局限性。而采用管板及管頭高溫熱防護結構相比之下更為重要，其改善管板熱應力的作用非常顯著。

(2)對比管殼式廢熱鍋爐薄管板在4種工況下的計算結果可以發現，管板上由溫差載荷引起的熱應力不應忽視。實際設計時應對廢熱鍋爐薄管板進行詳細的熱應力分析。

(3)應力分析的結果顯示:當布管區邊緣某一根或某幾根換熱管靠近管板邊緣圓弧過渡區轉角時，相應部位轉角處的應力強度值越大。換熱器布管時應盡量均勻布管，避免單根換熱管過于接近管板邊緣圓弧過渡區，引起管板轉角處應力強度值增大。

(4)對管板進行應力評定時，應根據計算工況的不同，選擇管板邊緣圓弧過渡區轉角處或布管區換熱管與管板連接接頭處作為評定的關鍵部位。

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