管殼式余熱鍋爐薄管板與換熱管脹接性能研究

胡 濤 時(shí)明偉

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司）

管殼式余熱廢鍋（以下簡稱余鍋）是石油化工行業(yè)中用于尾氣處理的主要裝置， 整個(gè)裝置在工作過程中處于高溫狀態(tài)。 為了保證余鍋的管板在高溫狀態(tài)下不會(huì)因?yàn)檫^量的溫差應(yīng)力發(fā)生破壞， 該類型余鍋管板一般采用撓性管板設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其厚度往往較小［1］。 在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于管板較薄，換熱管和管板連接宜采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)形式， 且應(yīng)該先貼脹后強(qiáng)度焊［2］，這樣能夠很好地消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕，提高接頭的疲勞性能。 薄管板和換熱管的貼脹質(zhì)量主要由殘余接觸壓力等因素控制。其中脹接壓力和脹接長度直接影響殘余接觸壓力。 筆者探究脹接壓力和脹接長度對殘余接觸壓力的影響規(guī)律， 為薄管板和換熱管的密封性能設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

筆者選用某在役余鍋的薄管板和換熱管連接處為研究模型，分析薄管板和換熱管脹接區(qū)域在不同脹接壓力和不同脹接強(qiáng)度下，薄管板和換熱管脹接區(qū)域的殘余接觸壓力。 其具體結(jié)構(gòu)如圖1、2 所示。

圖1 薄管板結(jié)構(gòu)

圖2 薄管板-換熱管連接結(jié)構(gòu)

2 材料性能曲線確定

2.1 確定方法

工程上材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的確定方法有兩種，一種是將該種材料制成拉伸試件，使用材料性能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸從而獲得其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［3］；另外一種是通過數(shù)學(xué)方法對材料曲線進(jìn)行擬合從而獲得其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［4］。

2.2 材料曲線

數(shù)值分析采用ANSYS 有限元軟件。 ANSYS有限元軟件中是使用多個(gè)點(diǎn)來逼近材料曲線，即使采用拉伸方法獲得了材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，仍然需要將曲線離散成多個(gè)點(diǎn)，以便在軟件中模擬出此曲線， 并且采用拉伸方法獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線需要試件、專用儀器等設(shè)備，較為復(fù)雜。 因此工程上多采用擬合的方法來獲得材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

擬合方法大致分為兩段擬合、 多段擬合、冪函數(shù)擬合和ASME 擬合方法。 其中工程上應(yīng)用最廣泛，也是最能得到認(rèn)同的方法是ASME 擬合方法。 下面將使用ASME 擬合方法確定15CrMo（換熱管材料）和15CrMoR（薄管板材料）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 查詢JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分 析設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)》（2005 年確認(rèn)） 和GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》確定ASME 擬合方法中需要的各種參數(shù)，最終經(jīng)過計(jì)算和擬合可以得到15CrMo 和15CrMoR 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示。

圖3 不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)圖1、2 所示的管板和換熱管結(jié)構(gòu)，利用其受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特征，并依據(jù)彈性力學(xué)和有限元理論進(jìn)行簡化后［5］，建立幾何模型，并采用PLANE182 單元對它進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 得到如圖4所示的有限元模型。

圖4 有限元模型

確定其具體簡化結(jié)構(gòu)后，再依據(jù)第2 節(jié)得到的15CrMo 和15CrMoR 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在ANSYS 中輸入將它轉(zhuǎn)化為程序可用的材料特性曲線。 按照模型簡化情況和其設(shè)計(jì)條件施加相應(yīng)載荷后即得到完整的有限元模型。

4 脹接壓力和脹接長度對密封性能的影響

4.1 脹接壓力有限元數(shù)值計(jì)算

4.1.1 計(jì)算方案

本節(jié)主要探究脹接長度L0一定時(shí)，脹接壓力和殘余接觸壓力之間的關(guān)系。 將脹接壓力180MPa 設(shè)定為一初值，假設(shè)一個(gè)無量綱α：

式中 p——脹接壓力，MPa；

p0——初定脹接壓力，MPa。

采用此定義即可探究脹接壓力的大小對殘余接觸壓力的影響。 并且采用此方法計(jì)算得到的結(jié)果和結(jié)論還可以推廣到其他類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上。

筆者將脹接壓力設(shè)置為144～270MPa， 且每18MPa 作為一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，通過式（1）可以得到系數(shù)α 的計(jì)算范圍（表1）。

表1 系數(shù)α 的計(jì)算范圍

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)4.1.1 節(jié)確定的計(jì)算方案，使用數(shù)值分析軟件ANSYS 中的時(shí)間歷程模塊先加載再卸載，可以得到如圖5 所示的計(jì)算結(jié)果， 根據(jù)圖5 所示結(jié)果繪制殘余接觸壓力隨系數(shù)α 的變化曲線（圖6）。由于，殘余接觸壓力越大，管板與換熱管之間的密封性能越好［6］，從圖5、6 可以看出隨著脹接壓力的提高，殘余接觸壓力也越大，因此，說明薄管板和換熱管間的密封性能更好。 但是當(dāng)脹接壓力過高時(shí)，脹接設(shè)備也會(huì)越來越貴，經(jīng)濟(jì)性較差。 因此在實(shí)際工程中， 余鍋薄管板和換熱管在脹接壓力允許的情況下，脹接壓力越大越好。

圖5 不同系數(shù)α 下的殘余接觸壓力分布

圖6 殘余接觸壓力隨系數(shù)α 的變化

4.2 脹接長度有限元數(shù)值計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方案

本節(jié)主要探究脹接壓力p0一定時(shí)，脹接長度和殘余接觸壓力之間的關(guān)系。 將脹接長度16mm設(shè)定為一初值，假設(shè)一個(gè)無量綱β：

式中 L——脹接長度，mm；

L0——初定脹接長度，mm。

采用此定義即可探究脹接長度的大小對殘余接觸壓力的影響。

筆者將脹接長度設(shè)置為11.2～22.4mm， 并且每1.6mm 作為一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，通過式（2）可以得到系數(shù)β 的計(jì)算范圍（表2）。

表2 系數(shù)β 的計(jì)算范圍

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)4.2.1 節(jié)確定的計(jì)算方案， 使用數(shù)值分析軟件ANSYS 中的時(shí)間歷程模塊先加載再卸載， 可以得到如圖7 所示的計(jì)算結(jié)果。 從圖7、8可以得出：脹接長度越長，殘余接觸壓力也越大，薄管板和換熱管間的密封要性能更好。 但是規(guī)范規(guī)定： 脹接開始區(qū)域至少要比焊縫長度大3mm，脹接長度受焊縫長度限制。 因此在實(shí)際工程中，余鍋薄管板和換熱管在脹接長度允許的情況下，脹接長度越長越好。

圖7 不同系數(shù)β 下的殘余接觸壓力分布

圖8 殘余接觸壓力隨系數(shù)β 的變化

5 結(jié)束語

選用某在役管殼式余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)作為研究基礎(chǔ)，探討了在相同脹接長度下，不同脹接壓力對余鍋薄管板與換熱管之間密封性能的影響；同時(shí)探討了在相同脹接壓力下，不同脹接長度對余鍋薄管板與換熱管間密封性能的影響。 通過比較分析， 在滿足工程要求和經(jīng)濟(jì)性的情況下，應(yīng)選擇較大的脹接壓力和脹接長度，保證脹接后殘余接觸壓力越大，密封性能越佳，更好地避免縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，從而提高余熱鍋爐壽命。 同時(shí)在余鍋薄管板和換熱管脹接連接處設(shè)計(jì)時(shí)， 可參照筆者運(yùn)用的數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算，提供一組既經(jīng)濟(jì)又安全的脹接壓力和脹接長度，為管殼式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)提供一定的參考。