光熱發電換熱器疲勞分析設計

王麗娜

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

光熱發電系統換熱器由于系統的特殊性，換熱器需要適應頻繁啟停，光熱發電系統換熱器需要根據運行狀況進行壽命分析。國標設備需要根據JB4732的相關規定進行分析設計。

1 設計原型簡介

本文以某50 MW光熱電站蒸汽發生系統蒸發器為研究對象，對其整體進行分析設計。該蒸發器設計參數如表1所示。

表1 設計參數表

2 主要部件分析設計

蒸發器設備屬于管殼式換熱器范疇，主要部件包括前管箱封頭、前管箱筒體、管板、殼體以及殼體封頭。而關鍵設計點在于管板以及與管板相接的兩端筒體，因此本文針對管板以及兩端筒體進行了分析設計。

2.1 殼體分析設計

依據JB4732選用適用強度設計公式，圓筒的計算厚度應根據荷載情況按以下相應公式確定。

在僅受內壓作用的情況下：

當 Pc≤KSm時，

式中：e為自然對數的底；K為載荷組合系數，查圖可得。

根據計算結果，蒸發器符合公式條件（1），選用式（1）作為厚度計算公式。計算后需要核定設備是否需要進行圓筒軸向穩定，判定條件為：如果F≥0.25PcDi，則不需要校核設備軸向穩定；若反之，則需進行軸向穩定校核。

殼體主要程序計算結果如下：內殼徑為Di=2200 mm；設計應力強度為Sm=126 MPa；成型損失為F1=1.00 mm；比較結果為Pc≤0.4KSm；適用公式為t=Pc·Di/（2·KSm-Pc）；計算厚度為t=133.7 mm；徑向薄膜應力為F=63.0 MPa；校核為無需按徑向薄膜應力校核。

厚度計算過后要進行筒體疲勞應力分析設計，采用第三強度理論，分別校核一次總體薄膜應力，一次局部薄膜應力，一次薄膜加一次彎曲應力，一次加二次應力強度以及峰值應力強度。

對于每組3個主應力，計算主應力差。在每組σ12、σ23和σ31中，取絕對值最大者作為該組的應力強度，即可得到各應力強度值。

判定條件為：SI

主應力計算：泊松比μ=0.3；彈性模量E=193 000 MPa；線膨脹系數α＝0.000 012/℃；出口溫差Δt1=8.13℃；進口溫差Δt2=64.66℃；管子根數N=3900 mm；環向主應力σPθ=120.69 MPa；軸向主應力 σPm=60.35 MPa。

邊緣效應不連續力：σNθ=-102.59 MPa；σNm=0 MPa；σNr=0 MPa。內壁（二次應力 Q）σWθ=186.27 MPa，內壁 σWm=55.88 MPa，內壁 σWr=0 MPa。

殼體軸向熱應力：σm=15.78MPa；σtθ=0MPa；σtr=0 MPa。

應力強度計算評定如表2所示。由于Sm=126 MPa，1.5Sm=189 MPa，3Sm=378 MPa，因此：SI

表2 殼體強度評定

依據以上計算可得出設備應力分析合格，依據應力分析計算結果查取疲勞壽命曲線，得出蒸發器循環次數為5 000 000次，而設備要求設計總循環次數為150 000次，滿足設備設計要求，可以保證殼體壽命要求。

前端管箱的設計計算過程與殼體類似，不再贅述。

圖1 焊接式

2.2 管板

蒸發器管板與兩面筒體均采用焊接式，如圖1。

管板的分析設計步驟為：上述 2）、3）項計算應對Ps單獨作用（Pt=0）和 Pt單獨作用（Ps=0）兩種危險工況分別進行，如Ps和Pt之一為負壓時，還需考慮壓差的危險組合。每種工況下管板應力校核點包括r=0，Rt，R 3個截面處管程側和殼程側兩個表面，共計6個校核點。

1）假定管板厚度δp，進而確定與管板練成一體的法蘭厚度。2）計算由壓力引起的管板上校核點應力。3）按不同工況與不同校核點逐一疊加計算得到的應力，得到每種工況下6個校核點的應力，并進而計算彎曲應力強度Sm，要求滿足 SII<1.5Sm。

計算結果如下（管板厚度計算，標準為JB 4732）：

設備為蒸發器，部件為管板，內殼徑Di=2200 mm，材料為15CrMo，設計應力強度Sm=105 MPa，管箱筒體厚度δh=36 mm，殼程筒體厚度δs=140 mm，假定管板厚度δp=350 mm。

r=0 截面應力：在管程側，σr10=26.76 MPa，σθ10=26.76 MPa；在殼程側，σsr10=-26.76 MPa，σsθ10=-26.76 MPa。

r=Rt截面應力：在管程側，σrt=-72.54MPa，σθ1=50.68MPa；在殼程側，σsr1=72.54 MPa，σsθ1=-50.68 MPa。

r=R截面應力：在管程側，σr2=-42.3MPa，σθ2=74.92MPa；在殼程側，σsr2=42.3 MPa；σsθ2=-74.92 MPa。

判定結果：

判定條件：1.5Sm=157.5；σr=1.5Sm；σθ=1.5Sm。

管程側：σr=-88.08 MPa；σθ=152.36 MPa。

殼程側：σr=88.08 MPa；σθ=-152.36 MPa。

均滿足強度要求。

3 結論

依據設備的不同應用場合以及運行要求，對設備適時的進行強度分析設計是保證設備安全運行的必要條件。強度分析手段依據不同的強度理論，計算合理的各部件結構，保證材料的不浪費同時保證了設備的安全性，是工程設計中十分必要的手段。本文根據JB4732的相關要求，對設備進行分析設計，依據分析設計結果出設備分析設計報告，是針對光熱發電系統換熱設備的有效設計手段，可以針對光熱系統設備的頻繁啟停而造成的疲勞應力進行有效判定。

［1］ 鋼制壓力容器--分析設計標準：JB 4732-1995［S］.

［2］ 胡錫文，林興華.管殼式換熱器管板的有限元分析［J］.壓力容器，2004，21（10）：26-28，22.

［3］ 楊國義，壽比南.異形管板換熱器應力分析與評定［J］.石油化工設備技術，2006（3）：6-8.

［4］ 龔曙光，謝桂蘭.壓力容器分析設計中的應力分類方法［J］.化工裝備技術，2000（3）：27-31.

［5］ 李斌，李安定.太陽能熱發電技術［J］.電力設備，2004（4）：80-82.