廢熱鍋爐撓性管板的有限元分析與安全評定

夏 寧，李艷艷，黃志國

(1.山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071；2.承德石油高等專科學校，河北 承德 067000)

廢熱鍋爐是硫磺回收裝置中的重要設備之一，通過廢熱鍋爐不但可以對高溫工藝氣體進行冷卻，又可以回收高溫工藝氣體的熱能產生蒸汽。而管板又是廢熱鍋爐的重要承壓元件之一[1]，熱別是高溫工藝氣體入口端的管板，既要承受高壓，又要經受高溫介質的作用，工作條件非常苛刻。筆者對廢熱鍋爐高溫段的撓性管板進行有限元分析及安全評定。

1 管板設計參數

某企業廢熱鍋爐管板材質為14Cr1MoR，殼體材質為Q345R，換熱管材質為N08800，管板采用帶圓弧過渡的撓性管板結構，管板與殼體通過削邊后焊接連接(見表1和表2)。換熱管采用正三角形排列[2]。

2 管板分析過程

2.1 有限元模型的建立

根據管板的結構特點，有限元模型作如下簡化(見圖1)：

1)根據結構的對稱性及承載特性，有限元模型取該換熱器管板及換熱管周向的1/4以及軸向1/2為研究對象。

表1 設計參數

表2 材料性能參數

2)假設管板與換熱管為全焊透結構，認為兩者結合緊密，不考慮接觸問題。

2.2 單元的選取

溫度場分析采用8節點六面體熱分析單元Solid70，應力場析采用8節點六面體結構分析單元Solid185，兩者能相互轉化，并且具有退化功能，便于生成復雜的網格，適用于該模型。

2.3 邊界條件

2.3.1 溫度場邊界條件的確定

在管程側管板表面施加對流換熱系數72 W/(m2·℃)及溫度1 065 ℃。在換熱管內表面施加對流換熱系數72 W/(m2·℃)，溫度按照T=83.97Y+1 062.7 ℃施加。在殼體內表面、殼程側管板表面施加對流換熱系數1 733 W/(m2·℃)以及溫度260.6 ℃。在換熱管沿殼程方向伸出管板部分的外表面施加對流換熱系數12 287 W/(m2·℃)以及溫度260.6 ℃。

2.3.2 結構分析的邊界條件

1)位移邊界條件[3]：在殼程筒體軸向對稱截面處約束Y向位移(即沿換熱管長度方向)；在結構另外兩個對稱面上施加對稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。

2)載荷邊界條件：換熱管內表面施加管程壓力，外表面施加殼程壓力；管板兩側分別施加管程和殼程壓力；殼程筒體內表面施加殼程壓力；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的節點上。

3 分析計算結果

3.1 溫度場分析

對此換熱器進行穩態熱分析，此換熱器的最高溫度為388.586 ℃。管板以及換熱管伸入管板的位置溫度梯度最大，如圖2所示。

3.2 結構分析

結構分析時，首先將溫度場分析所得到的節點溫度施加到每個節點上，再施加位移邊界條件，得到僅有溫差引起的熱應力，通過計算，熱應力為363 MPa。再施加載荷邊界條件內壓等，得到該模型熱-結構耦合場的應力強度云圖，如圖3所示。

從上圖可知，應力強度的最大值為319 MPa，發生在外圈換熱管的管板處，管板圓弧過渡處內表面應力也比較高。

3.3 應力評定

在最大應力點處沿壁厚方向穿路徑Path1，在管板圓弧過渡內表面定義Path2，根據JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設計標準》對計算結果進行應力分類與評定[4](見表3)。

4 結論

1)應用有限元軟件ANSYS對該廢熱鍋爐管板進行應力分析，根據JB4732對應力分析結果進行評定[4]。結果表明，該廢熱鍋爐撓性管板管板上各部位均滿足校核條件，故此撓性管板廢熱鍋爐是安全可靠的。

表3 應力評定

2)使用有限元方法可以準確地計算出溫度場分布及溫差應力。由結果可知，由溫差產生了較高的熱應力，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。

3)在進行熱結構耦合應力分析時，廢熱鍋爐撓性管板的最大應力值出現發生在外圈換熱管的管板處，管板圓弧過渡處內表面應力也比較高。為減小該部位的應力，在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。