硫冷凝器管板樣機數值分析與應力測試對比

馬一鳴，王海波，楊春天，趙明明，尹依娜，汪沈陽，羅沿予

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2.中國石油化工股份有限公司 中原油田分公司 石油工程技術研究院，四川 達州 636156）

我國高含硫天然氣資源豐富，資源量超過4萬億 m3［1］，探明儲量近 1萬億 m3。 高含硫天然氣具有劇毒、腐蝕性強及安全風險高的特性，無法直接使用，需進行凈化處理。凈化后分離出的酸性氣中含有大量的 H2S、CO2、SO2和 Cl-等， 如直接排空，會造成很大的環境危害和硫資源浪費［2］，需采用硫磺回收裝置將酸性氣中的硫元素轉化為硫磺進行回收處理［3］。普光氣田為我國“川氣東送”的起點，配套的天然氣凈化廠硫磺回收裝置硫磺產能達240萬t/a，規模居全國首位。該硫磺回收裝置采用低壓蒸汽發生、鍋爐給水預熱的方式將酸性氣反應生成的過程氣冷卻，使過程氣中的硫蒸氣達到冷凝點，最后將液硫收集存儲。裝置中的末級硫冷凝器是關鍵設備之一，具有高參數（管、殼程壓差為 6.4 MPa）、大型化（直徑 3 200 mm）等特點，使用過程中頻繁發生內漏等問題，導致裝置停產、檢修，對“川氣東送”沿線地區的天然氣供應造成不利影響。

國內外高參數大型硫冷凝器一般采用管殼式熱交換器中的e型或b型管板結構，管板較厚，剛性較大，導致換熱管與管板連接接頭拘束度較高。在腐蝕環境下，管頭存在較大溫差應力及殘余應力，易誘發管板及管頭的應力腐蝕開裂，引起內漏。因此，硫冷凝器的設計要點為提高管板柔性，降低管板對管頭的拘束度。文中針對末級硫冷凝器的內漏問題，探討了硫冷凝器管板改進思路，并設計了剛性管板和柔性管板樣機，結合有限元數值模擬和試驗測試結果進行應力對比分析，獲取不同結構的承載特點。

1 硫冷凝器管板改進思路

國內外現行的管板計算方法都是以彈性理論為基礎的當量實心板理論，故管板承載和剛度要素分析可參考當量實心板理論，再根據需要選取相應的設計理論。

殼程筒體在殼程壓力作用下產生環向應力，并徑向膨脹，由于泊松效應，筒體軸向收縮。管板在殼程側承受殼程壓力，殼程筒體和管束沿軸向伸長，且換熱管在管外殼程壓力的作用下徑向收縮，在泊松效應下軸向伸長，并引起管板的局部彎曲變形。同時，由于換熱管溫度高于殼體溫度，產生軸向變形差，更加劇了管束的伸長效應。筒體與管板變形相互協調，會對管板周邊不布管區產生附加剪切力與彎矩，引起管板整體彎曲變形。此外，沿厚度方向管板溫度存在差異，也產生了附加的整體彎曲變形。

管板應力水平受整體彎曲變形及局部彎曲變形聯合控制。整體彎曲變形受管板的彎曲剛度（管板厚度）、管束的支撐強度 （換熱管與管板剛度比）及管板周邊不布管區變形協調能力（筒體與管板連接方式）控制。局部彎曲變形則受換熱管管孔間距及管束的支撐強度控制。

在布管區，管板的彎曲剛度與自身厚度的三次方成正比，管束的支撐強度與換熱管結構參數成正比，與管板厚度成反比。 現有研究表明［4-12］，在一定的邊界支撐條件下，當換熱管支撐強度系數逐漸增大時，管板的撓度、彎矩等自周邊向中心衰減并呈波形分布。支撐強度系數越大，管板的撓度、彎矩等衰減越快、波數越多，但由于變形差異逐步擴大，周邊彎矩有所提高。因此，減小管板厚度、提高換熱管支撐強度，有利于降低管板剛度并改善管頭拘束度。

在連接區，管板周邊不布管區的變形協調能力與其結構剛度密切相關。剛性管板周邊不布管區的力學模型為當量環板結構，剛度取決于環板與殼體的連接情況及環板厚度，連接形式通常介于固支與簡支之間，剛度較高。因此，可采用膨脹節等類似的柔性結構來顯著降低管板周邊剛度。

2 硫冷凝器管板樣機設計

為了驗證管板改進思路的正確性，筆者分別設計、制造了剛性管板與柔性管板樣機各1臺，對2臺樣機進行壓力載荷下的應力測試，量化二者的差異。

表1 管板樣機選材方案

最終確定的剛性管板樣機管板厚度60 mm，柔性管板樣機管板厚度18 mm，過渡段圓角半徑R=38 mm。2種管板樣機結構簡圖分別見圖1和圖2。

圖1 剛性管板樣機結構簡圖

圖2 柔性管板樣機結構簡圖

3 硫冷凝器管板樣機有限元數值分析

考慮結構和載荷的對稱性，對管板建立1/4模型，換熱管、殼體取1/2設計長度。采用ANSYS軟件中的8節點三維實體單元SOLID 185進行結構分析。

分別建立剛性管板和柔性管板樣機模型，模型所用尺寸中厚度為名義厚度。在管板及殼體的對稱面施加對稱位移約束，在殼體及換熱管橫截面施加軸向位移約束。換熱管外表面、殼程筒體內表面、管板殼程側表面施加殼程試驗壓力載荷7.75 MPa。

有限元分析得到的剛性管板樣機模型應力云圖見圖3，柔性管板樣機模型應力云圖見圖4。

圖3 剛性管板樣機模型應力云圖

分析圖3、圖4可以看出，在相同的載荷條件下，采用柔性薄管板可滿足結構的安全要求，且過渡段與殼體連接處的總體應力由189.677 MPa下降為168.646 MPa，連接處剛度下降，與理論分析相符。

圖4 柔性管板樣機模型應力云圖

依據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）》［13］進行強度評定。 應力線性化路徑的選取原則是［14-19］，分析構件應力強度最大位置、其它高應力強度區域及關注部位，并沿壁厚方向設定應力線性化路徑。管板樣機應力線性化路徑位置見圖5，各線性化路徑的應力計算值見表2。剛性管板的路徑均處于所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上，柔性管板的路徑均處于Q245R和所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上。上述材料常溫下許用應力均為148 MPa，局部薄膜應力SⅡ和一次薄膜加一次彎曲應力SⅢ的許用極限為1.5KSm，耐壓試驗工況下K=1.25，即SⅡ和SⅢ的許用極限為277.5 MPa。表 2中各計算應力均小于許用極限，表明管板樣機模型結構安全，樣機設計合理。

圖5 管板樣機應力線性化路徑位置示圖

表2 管板樣機各線性化路徑應力計算值 MPa

4 硫冷凝器管板樣機應力測試測點分布

管板樣機應力測點分布在3個區域，即布管區、布管區以外與殼體連接過渡部分以及殼體外壁。除管板中心位置外，所有測點均兩兩對稱布置，測點26～測點49均與其編號相差24的點對稱，如測點26與測點2對稱、測點49與測點25對稱。管板樣機應力測試中不同區域應力測點布置見圖6～圖10。

圖6 管板樣機應力測點總體布置

圖7 管板樣機右半區應力測點布置

圖8 管板樣機左半區應力測點布置

圖9 剛性管板樣機布管區外應力測點布置

圖10 柔性管板樣機布管區外應力測點布置

5 硫冷凝器管板樣機應力測試結果及對比分析

5.1 應力測試與數值分析結果對比

剛性管板與柔性管板樣機應力測試與有限元數值分析結果見表3。殼體上應力測點的z向應力在表3中表示為x向。

表3 管板樣機應力測試與有限元數值分析結果 MPa

分析表3，剛性管板的測點17、測點21、測點23和測點24，柔性管板的測點1和測點23的測試數據與其各自對稱點的測試數據差異較大，與數值分析值差異也較大，應為奇異點。其余測點的數值分析結果與測試結果基本吻合。

在布管區，對柔性管板，除中心測點1的應力偏高外，測點2～測點6的應力基本相當。表明當換熱管支撐強度系數較大時，減小管板厚度對承受機械載荷能力基本無影響，同時管板彎曲剛度下降明顯，可改善因管板剛度引起的對管頭的拘束度。這與管板改進思路的判斷基本一致。

在連接區，2種管板的測點21～測點25的應力差異較大，表明剛性管板的周邊約束高于柔性管板的，周邊彎曲應力顯著提高。同時，管板過渡段x向測點16～測點20與相鄰布管區測點6的應力存在明顯方向變化，且柔性管板數據高于剛性管板的，表明柔性結構相比剛性結構存在顯著變形，導致該部位彎曲應力水平提高，但可補償換熱管與筒體變形差，改善管板與筒體連接結構對管頭的拘束度。這也與管板改進思路的判斷基本一致。

5.2 2種管板樣機對比

剔除奇異點后，取對稱點測試數據平均值，對2種管板樣機對應位置測點的測試數據及有限元數值分析數據進行對比。

5.2.1 管板端面

（1）中心點（測點 1） 柔性管板的應力水平主要取決于換熱管間距和周邊支撐。管板中心未布管，無換熱管拉撐，換熱管間距較大，其應力高于其余布管區，應力測試和數值分析均驗證了這一點。剛性管板的剛度較大，厚度較厚，中心應力較小。中心位置的應力測試與數值分析結果均表明，減小換熱管間距或增大管板厚度可有效降低管板應力水平，且間距作用更為明顯。

（2）布管區域孔橋位置（測點2～測點4） 布管區換熱管對管板的拉撐作用明顯時，管板厚度對應力水平影響較小。管板厚度增大，應力減小幅度有限。測試數據大于數值分析數據，與管板端面結構不連續、存在焊接殘余應力有關。

（3）布管周邊（測點5～測點6） 柔性管板剛度較小，周邊位置局部彎曲應力較高，其徑向與周向應力均高于剛性管板。

（4）過渡段（測點 16～測點 20） 過渡段 y向應力為周向應力，主要為薄膜應力，剛性管板與柔性管板的應力差異不大，測試數據與數值分析數據吻合性很好。過渡段x向應力為徑向應力，為薄膜應力加彎曲應力，以彎曲應力為主，管程側表面為壓縮側，數據吻合性好。過渡段x向應力測試數據與數值分析數據的絕對值差異較大，這與設備組裝順序不同、過渡區存在預應力有關。

5.2.2 殼體

在遠離管板與殼體連接處，管板結構對殼體應力的影響比較小，殼體周向應力受內壓控制，應力無差異。軸向應力與換熱管、殼體及管板的剛度有關，應力差異小。柔性管板結構的殼體軸向應力略小。

在靠近管板與殼體連接處，受邊緣效應的影響，管板外圓面承受軸向附加彎矩。管板外圓面的軸向應力為薄膜應力加彎曲應力，以彎曲應力為主，管板外圓面為壓縮側。管板外圓面周向應力相差不大。

6 結語

針對硫冷凝器內漏問題，探討了硫冷凝器管板改進思路，設計了剛性管板與柔性管板樣機，建立了樣機有限元數值分析模型，對2種樣機進行了有限元應力數值分析和壓力載荷下的應力測試。對比結果顯示，應力測試結果與數值分析結果吻合性較好，表明數值分析模型簡化合理，邊界條件設置正確，分析結果準確可靠，模型的簡化方式和邊界條件設置可用于工業產品的數值分析。管板端面應力測試數據與數值分析結果存在一定差異，主要由以下原因引起，①樣機制造完成后進行了熱處理，管板存在初始變形，而且熱處理未能完全消除焊接殘余應力。②管板端面結構不連續，應力梯度大。③換熱管與管板實際采用的是角焊縫結構，而數值模型中則簡化為伸入管板部分換熱管與管板一體的結構。