制硫余熱鍋爐整體結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

(中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266101)

制硫余熱鍋爐整體結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭華軍

(中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266101)

制硫余熱鍋爐屬于硫磺回收裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，內(nèi)壓、自重以及地震組合載荷作用下疊裝制硫余熱鍋爐的設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算中的難點(diǎn)。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)制硫余熱鍋爐整體模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，得到應(yīng)力集中局部結(jié)構(gòu)為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內(nèi)部，通過局部結(jié)構(gòu)細(xì)化得到應(yīng)力云圖及應(yīng)力結(jié)果，并對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定。依據(jù)分析結(jié)果，去除了汽包與鍋體之間的鞍座結(jié)構(gòu)以及上升管、下降管的補(bǔ)強(qiáng)圈，使制硫余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)更為合理，制造經(jīng)濟(jì)性得到了提高。

余熱鍋爐； 整體結(jié)構(gòu)； 局部結(jié)構(gòu)； 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定； 有限元分析

1 制硫余熱鍋爐簡(jiǎn)介

制硫余熱鍋爐是煉油企業(yè)硫磺回收裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在內(nèi)壓、自重以及地震作用下，疊裝制硫余熱鍋爐的設(shè)計(jì)計(jì)算是常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算中的難點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中常用規(guī)格的某制硫余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

該制硫余熱鍋爐的殼程設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa、設(shè)計(jì)溫度為200 ℃，介質(zhì)為除氧水和水蒸氣。制硫余熱鍋爐鍋體和汽包材料均為Q245R，上升管材料為20鋼[1]，制硫余熱鍋爐的腐蝕裕量3 mm，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g。

制硫余熱鍋爐連接制硫燃燒爐，燃燒爐產(chǎn)生的過程氣從左端進(jìn)入鍋體， 流經(jīng)鍋體中的管程被冷卻

1.下降管 2.鍋體 3.上升管 4.汽包 5.鍋體與汽包連接鞍座 6.鍋體鞍座圖1 制硫余熱鍋結(jié)構(gòu)示圖

至350 ℃左右，由鍋體右側(cè)管口進(jìn)入裝置管網(wǎng)。過程氣流經(jīng)制硫余熱鍋爐的同時(shí)，除氧水由汽包上的管口進(jìn)入汽包，由下降管自上而下進(jìn)入鍋體，與鍋體管程中的過程氣進(jìn)行熱交換，受熱氣化之后成為1.0 MPa的高溫飽和蒸汽并由上升管進(jìn)入汽包，由汽包上的管線輸送至裝置管網(wǎng)加以利用[2]。

制硫余熱鍋爐的上升管傳輸高溫蒸汽，并且承擔(dān)汽包部分自重，鍋體與汽包連接鞍座承擔(dān)汽包部分自重[3，4]。在制硫余熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于鍋體與汽包連接鞍座不會(huì)隨著設(shè)備溫度的變化而變化，因此它會(huì)限制上升管、下降管因溫度作用而產(chǎn)生的變形，產(chǎn)生溫度應(yīng)力(二次應(yīng)力)，甚至在不穩(wěn)定工況等情況下溫度會(huì)發(fā)生一定程度的交變，有可能在結(jié)構(gòu)不同部位產(chǎn)生塑性變形以及不可逆的積累，出現(xiàn)棘輪現(xiàn)象[5]。因此，鍋體與汽包連接鞍座的存在對(duì)設(shè)備安定性影響很大。如果去掉鍋體與汽包連接鞍座，在汽包的自重以及地震載荷的作用下，設(shè)備的設(shè)計(jì)強(qiáng)度會(huì)有所削弱，可能導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計(jì)不安全的問題。

為此，筆者利用有限元方法，綜合考慮該余熱鍋爐的苛刻工作工況，在自重、地震載荷、內(nèi)壓聯(lián)合作用下評(píng)定設(shè)備結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。由于管程不是分析重點(diǎn)，而且管程計(jì)算可以利用常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算求出，故未列出管程的計(jì)算參數(shù)[6，7]。

2 制硫余熱鍋爐有限元分析

2.1有限元模型建立

余熱鍋爐的管板、換熱管、接管等結(jié)構(gòu)可以利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定，重點(diǎn)分析鍋體鞍座、鍋體、汽包、下降管、上升管、鍋體與汽包連接鞍座結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化模型，利用封頭代替鍋體兩端管板。建立的制硫余熱鍋爐三維模型見圖2，有限元模型網(wǎng)格劃分見圖3。

所建模型的材料為低碳鋼，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃[8]。

圖2 制硫余熱鍋爐三維模型

圖3 制硫余熱鍋爐有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2整體有限元分析

對(duì)網(wǎng)格模型合理施加約束條件和初始溫度(20 ℃)，施加重力加速度、地震載荷(z向)、內(nèi)壓1.2 MPa和溫度載荷200 ℃，得到的第三應(yīng)力強(qiáng)度SINT應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 制硫余熱鍋爐SINT應(yīng)力云圖

由圖4可以看出，應(yīng)力最大及較大部位為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內(nèi)部，最大SINT應(yīng)力值為133.48 MPa，但由于只進(jìn)行了整體網(wǎng)格劃分，未進(jìn)行局部網(wǎng)格優(yōu)化處理，所以并不能確定133.48 MPa為準(zhǔn)確數(shù)值，不能直接用其進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，但應(yīng)力最大及較大部位的確定已經(jīng)達(dá)到了整體有限元分析的目的[9]。

2.3局部模型精確數(shù)值求解

根據(jù)圖4確定的應(yīng)力最大及較大部位，抽取圖5所示的各局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，確定應(yīng)力準(zhǔn)數(shù)值并進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。局部結(jié)構(gòu)模型材料及屬性與整體模型的相同。對(duì)局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型載入切割邊界條件值，施加重力加速度、地震載荷(z向)、內(nèi)壓1.2 MPa和溫度載荷200 ℃，得到的SINT應(yīng)力云圖見圖6[10]。

2.4應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

應(yīng)力線性化選擇原則：①通過應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑。②對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)，沿壁厚方向設(shè)定路徑，無須路徑線性化[11]。

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[12]中表6-2和表6-4，由鍋體、汽包、上升管材料以及設(shè)備溫度200 ℃確定Sm=124 MPa。由于文中考慮了地震載荷，故載荷

圖5 制硫余熱鍋爐局部連接結(jié)構(gòu)模型

圖6 制硫余熱鍋爐局部連接結(jié)構(gòu)SINT應(yīng)力云圖

組合系數(shù)K=1.2。為了計(jì)算方便，偏保守仍然取K=1.0[13]。

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，4個(gè)局部結(jié)構(gòu)模型的SINT應(yīng)力分別為S1=125.8 MPa、S2=123.92 MPa、S3=118.24 MPa、S4=115.26 MPa，而應(yīng)力強(qiáng)度為1.5Sm=186 MPa，S1、S2、S3、S4均不大于1.5Sm，所以局部結(jié)構(gòu)模型與整體模型在內(nèi)壓、自重、地震組合工況作用下應(yīng)力評(píng)定均合格[14，15]。根據(jù)JB 4732的第3.10條，無需進(jìn)行疲勞評(píng)定[16，17]。

2.5x軸向地震載荷

對(duì)制硫余熱鍋爐整體和局部結(jié)構(gòu)模型施加x軸向地震載荷，按照上述步驟重新計(jì)算SINT應(yīng)力并進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果均合格。

3 結(jié)語(yǔ)

利用整體建模整體分析方法，對(duì)制硫余熱鍋爐內(nèi)壓、自重、地震組合載荷工況進(jìn)行計(jì)算分析，得到應(yīng)力集中局部結(jié)構(gòu)為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內(nèi)部，對(duì)局部結(jié)構(gòu)建模并細(xì)化網(wǎng)格，載入整體模型切割邊界條件值，得到了SINT應(yīng)力準(zhǔn)確結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果均合格。此方法突破了常規(guī)設(shè)計(jì)方法只能進(jìn)行總體薄膜應(yīng)力計(jì)算校核的局限，并且消除了直接局部建模時(shí)模型和邊界條件簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果的影響。

在內(nèi)壓、自重、地震組合載荷工況下，整個(gè)制硫余熱鍋爐結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，常規(guī)設(shè)計(jì)設(shè)置在汽包與鍋體之間的鞍座結(jié)構(gòu)是多余約束，應(yīng)予取消。有限元應(yīng)力分析確定了上升管、下降管無需另外設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更為合理可靠，同時(shí)增強(qiáng)了設(shè)備制造經(jīng)濟(jì)性。

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(LU Ming-wan，XU Hong. Discussion on Some Important Problems of Design by Analysis(2)[J].Pressure Vessel Technology，2006，23(2)：28-32.)

(張編)

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FiniteElementOptimizationResearchofOverallStructureofWasteHeatBoilerRecyclingSulfur

GUOHua-jun

(CNOOC Petrochemical Engineering Co. Ltd.， Qingdao 266101， China)

Waste heat boiler, one of the key equipment in sulfur recovery unit, is focused on, and difficult points in common design calculation of stacked waste heat boiler under combined loads of internal pressure，gravity and earthquakes are discussed. The whole model of waste heat boiler established with an application of finite element analysis software ANSYS is analyzed and designed with findings that the stress concentrates in positions connecting the up-flow tube，down-flow tube and the shell, drum. A stress map and stress results are obtained through analysis of the local structure of refinement and further evaluated. According to the analysis result, the saddle structure and reinforcing ring between the boiler body and the steam drum has been removed for a more reasonable structure and a higher manufacture economy of waste heat boiler.

waste heat boiler； holistic model； local model； stress intensity assess； finite element analysis

TQ050.2

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.006

1000-7466(2017)05-0030-05

2017-03-30

郭華軍(1983-)，男，山東德州人，工程師，碩士，從事石油化工設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。