換熱器管板上開口的應力分析

劉靖 張大勇(泰山集團股份有限公司，山東 泰安 271025)

0 引言

在立式換熱器設計時，常常在管板上設置一個排放孔，其主要目的是排出殼程介質易產生的沉淀聚集和蒸流液聚集，避免加重管板與換熱管焊縫的腐蝕，影響換熱效果；某公司制造的一臺中溫換熱器，設置了一個Φ36的排放孔。設備制造過程中，進行水壓試驗時，排放管焊縫附近出現泄漏。為分析泄漏原因，我們發現運用常規的內壓剪切力方法進行應力校核計算不能反應排放管焊縫附近真實的應力裝態，所以用ANSYS軟件對管板及排放孔做有限元應力分析，發現原設計給出的排放孔焊接強度不夠；制造廠需要對此部位進行返修，因該U型換熱器的管板采用管、殼程固定式結構(焊接結構)，返修需切開折流板后，對已焊接的排污管泄漏部位修磨，按照分析計算要求的焊腳尺寸重新焊接后，最終試壓合格。

1 中溫換熱器基本情況

水煤氣自管箱右側N1入口以溫度為238℃進入中溫換熱器管程，與從殼程左側N3入口進入中溫換熱器殼程的溫度為396℃的變換氣換熱后溫度降至370℃，水煤氣溫度升至264℃。中溫換熱器采用U型管式換熱器。排放管與管板連接見圖1，設備設計參數見表1。

圖1 排放管與管板連接結構圖

管板殼程側堆焊層厚度12mm，管程側堆焊層厚度6mm，堆焊層過渡圓角半徑R6，換熱管規格：Φ25×2，U型管根數：746，正方形排列，排放管設置在管板半徑R760處，排放管規格：Φ34×5，排放管與管板間隙1mm。元件材料性能見表2。

表1 中溫換熱器設計參數

表2 元件材料性能(試驗溫度20℃)

2 管板、換熱管、排放管應力分析

2.1 建立管板、換熱管、排放管有限元模型

根據管板、換熱管、排放管的幾何和受力特點，取四分之一幾何圖形，建立有限元分析模型近似模擬此結構應力分布，模型幾何參數見表3，管板、換熱管、排放管有限元模型見圖2，管板排與放管模型見圖3。(應力分析工況為殼程側水壓試驗，有限元模型中所有元件厚度均包含堆焊層厚度。)

表3 模型幾何參數

圖2 管板、換熱管、排放管有限元模型

圖3 管板與排放管有限元模型

2.2 有限元網格

如圖4所示，有限元采用185三維實體單元進行網格剖分，模型節點數：1030140，單元數：816650。

圖4 有限元模型網格圖

2.3 模型邊界條件

位移邊界條件(圖5)：殼程筒體端面加Z向軸向位移約束，在XOZ加Y向位移約束，YOZ平面加X向位移約束。

圖5 有限元模型位移邊界條件

2.4 模型載荷條件

載荷邊界條件：在殼程筒體內表面、排放管內表面、換熱管外表面施加試驗壓力：Pt=13.7 MPa，在排放管端部施加內壓等效面載荷:q=Ptdi2/(do2-di2)=13.6 MPa，詳見圖6。

圖6 有限元模型載荷邊界條件

2.5 有限元分析結果

由結構整體應力強度分布云圖(圖7、圖8)可見，結構最大應力在管板與殼程筒體連接處。

圖7 結構整體應力強度云圖

圖8 管板、排放管、角焊縫應力強度云圖

2.6 應力評定

取排放管、管板、角焊縫四分之一模型(靠近殼程筒體側)，在排放管與管板間隙焊縫中間點截面，沿圓周方向做線性化處理，各路徑對應的應力強度見表4，應力線性化路徑見圖9。

表4 排放管與管板角焊縫應力強度

由分析結果可知，排放管與管板角焊縫截面應力不能滿足強度要求，導致壓力試驗時出現泄漏。

出現上述問題的原因在于：該設備設計溫度較高，對應的耐壓試驗壓力高。這種固定管板式結構的最大應力出現在管板與筒體連接處，排放管設置在高應力區，GB151沒有計算管板壓力試驗情況以及管板邊緣開單個大孔的情況。

圖9 應力線性化路徑圖

3 補救措施

將排放管與管板焊接角焊縫打磨修改為U型坡口(見圖10)，采用U型坡口代替常用的45°坡口有優點是：焊縫成型好，尖點處不易產生未融合現象，焊腳尺寸可達到圖紙要求。經上述處理后，水壓試驗合格。

圖10 管板與排污管U型坡口

4 結語

本文通過對中溫換熱器管板上排放管水壓試驗案例的應力分析，提示設計人員在進行類似設備設計時，應注意一下三點：(1)對設計溫度較高的設備應校核水壓試驗工況時，管子與管板角焊縫強度；(2)管板上設置排放孔時應盡量避開管板高應力區域；(3)對于GB151不包含的工況且在壓力試驗或操作時可能出現問題的結構，需要做應力分析，給出合理的設計結構，從而避免在設備制造或使用過程中，出現返修等影響產品質量和交貨期的問題。