發夾式換熱器管板瞬態熱分析

王 強，柯展煌，鄧 科，翟黎明，王 江，王炯銘，季敏東

(1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.國電泉州熱電有限公司，福建 泉州 362804)

0 引言

在太陽能光熱、儲能、供熱等冷熱介質溫差較大的場合，通常采用新型的發夾式換熱器[1]，此類換熱器的典型特征是管束和殼體均為U形結構，熱膨脹時管側和殼側均可自由伸縮，自身具備良好的溫差補償效應；熱端和冷端分別采用獨立的管板，管板受力情況得到改善；采用單殼程結構，實現全逆流換熱，換熱效率高。特別適用于高溫、高壓、大溫差的場合，實現了換熱器的深度換熱，具有十分廣闊的市場應用前景。

在實際運行中，由于機組頻繁啟停及快速變負荷等各種復雜瞬態工況，換熱器承受較大的熱沖擊，長期承受各種瞬態交變載荷，當波動幅度超過疲勞極限時，將會產生疲勞損傷。尤其是冷態啟停工況，溫升速率較快時，將會在短時間內對管板等關鍵部件產生強大的熱沖擊作用，使其局部產生很高的熱應力，造成設備損傷。因此，研究發夾式換熱器的瞬態特性，掌握其熱應力隨溫升速率變化規律及最大熱應力所處的位置，為設計優化和用戶運行提供指導，具有重要的意義。

目前，傳統U形管式換熱器[2]及固定管板式換熱器[3-5]的瞬態特性已有大量的研究，發夾式換熱器由于結構新穎，其瞬態特性的研究極少。

1 研究對象

以某電廠供熱系統中發夾式換熱器為研究對象，冷態啟動時，殼側處于空置狀態，從管側進行預暖。采用ANSYS有限元軟件對發夾式換熱器管板進行瞬態熱固耦合分析。先對管板進行瞬態熱分析，獲取管板在各工況下的溫度場，再將溫度場作為體載荷導入到瞬態結構中進行計算，根據耦合計算結果，了解熱應力隨溫升速率的變化規律及熱應力最大值所在位置，并進行疲勞壽命分析。

2 有限元模型及分析工況

2.1 換熱器幾何結構

某電廠供熱系統中的發夾式換熱器(見圖1)，為單管程、單殼程結構，管板與管側封頭及殼側筒身采用整體焊接形式。該換熱器包括熱端管板和冷端管板2塊管板，具體參數如表1所示。管板與換熱管采用焊接加脹接的連接方式。

圖1 發夾式換熱器外形圖

表1 換熱器設計參數

2.2 有限元分析模型

為減少計算工作量，進行如下簡化：忽略開孔接管的影響；由于冷態啟動時，管側初始階段蒸汽壓力較低，忽略壓力波動帶來的影響，將管側和殼側壓力均視為常壓；選取管板厚度最大的熱端管板進行建模分析；管板具有對稱性，取結構的1/4進行建模，對稱面上施加對稱約束，以管板厚度方向作為軸向，在堆焊層面層施加軸線約束，筒身長度為600 mm，大于邊緣效應值。模型(見圖2)采用20節點高階六面體單元Solid186和10節點高階四面體單元Solid187進行網格劃分，共計368 914個單元，932 865個節點。

圖2 有限元分析模型

2.3 分析工況

為充分研究該發夾式換熱器管板的抗熱沖擊能力，結合電廠實際運行情況，選取四組典型瞬態工況進行分析。四組工況中，溫升速率依次增大，分別為3℃/min，10℃/min，20℃/min，40℃/min，初始溫度均為25℃，總溫升120℃，由于溫升速率不同，升溫時間不同，其中工況一用時最長，需要2 400 s，工況四用時最短，僅需180 s。四組分析工況具體參數如表2所示。

表2 各工況參數

3 分析結果

3.1 管板溫度場

在瞬態熱分析模塊中，對上述工況進行瞬態熱分析，獲取各工況管板溫度場。如圖3所示，通過對比發現：工況一管板溫度分布最均勻，工況四最不均勻，溫升速率越快，管板不布管區沿厚度方向溫度梯度越大，分布越不均勻；除工況一外，其余工況管側半球形封頭內壁薄層均出現 “表皮熱效應”，且溫升速率越快，“表皮熱效應”越明顯，封頭壁厚方向溫度梯度越大；管板布管區由于吸熱較為均勻，溫差較小。

圖3 不同工況溫度場

3.2 管板應力分布

根據上述瞬態溫度場，將其作為體載荷導入到瞬態結構中進行耦合計算，得到的分析結果如圖4所示，從圖中可以發現：所有工況中，最大應力值均出現在不布管區的管板堆焊層中，且隨溫升速率加快而迅速增大；管板與半球形封頭連接的轉角處，管板與殼側筒身連接的凹槽處，也出現了較高的應力，且隨溫升速率加快而增大。各工況最大應力值如表3所示。

圖4 不同工況應力分布

表3 各工況最大應力值

3.3 布管區分析

該發夾式換熱器采用正三角形排列布管，根據其布管對稱型，布管區采用簡化分析模型，網格整體加密，堆焊層及封口焊位置網格進一步加密，提高計算精度，模型四周設置為對稱邊界條件，堆焊層面層進行軸向限位約束，換熱管與堆焊層焊接部分設置為綁定接觸，脹接部分設置為摩擦接觸，并采用修正摩擦接觸系數，其余部分設置為無摩擦接觸。

在瞬態熱分析模塊中，對上述工況進行瞬態熱分析，獲取各工況溫度場，管板布管區由于吸熱較為均勻，溫差較小，如溫升速率最慢的工況一，溫差僅有0.13℃左右，溫升速率最快的工況四，溫差僅0.84℃左右，如圖5所示。

圖5 不同工況管口連接位置溫度場

根據上述瞬態溫度場，將其作為體載荷導入到瞬態結構中進行耦合計算，得到各瞬態熱應力，從中可以發現，在封口焊位置管內壁薄層小范圍內出現了很高的峰值應力。此外，通過對比發現，四種工況最大應力值相差較小，最大為739.28 MPa，最小為718.37 MPa，如圖6所示。

圖6 各工況封口焊位置應力分布

4 疲勞分析

根據上述分析結果，發現不同溫升速率工況下，管板應力最大值均出現在管板不布管區堆焊層，根據標準JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》中的規定，復合鋼板中因復層與基體金屬膨脹系數不同而在復層中引起的熱應力屬于峰值應力，峰值應力的特征是同時具有自限性與局部性，它不會引起明顯的變形。其危害性在于可能導致疲勞裂紋或脆性斷裂。

在循環加載條件下，當波動幅度超過疲勞極限時，設備的疲勞使用壽命取決于交變應力的幅度，波動幅度越大，設備使用壽命越短。根據JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》附錄C 規定：

Salt=0.5sr

(1)

修正后的值為：

(2)

經過計算，工況一、工況二、工況三、工況四修正后的交變應力幅值分別為457 MPa、538 MPa、621 MPa、711 MPa。查詢材料設計疲勞曲線，上述交變應力幅值對應的疲勞使用壽命次數分別為2 500次、1 300次、900次、 440次。根據數據繪制和擬合的疲勞壽命曲線如圖7所示。從圖中可以發現，隨著溫升速率不斷增加，設備疲勞使用壽命次數將急劇減少。

圖7 疲勞壽命曲線

上述分析僅考慮了熱應力帶來的影響，未考慮壓力波動等其余復雜因素，設備實際運行中，工作條件更為苛刻。

5 結論

1)熱應力最大值出現在管板不布管區堆焊層中，此處是整個管板最危險的位置。

2)在發夾式換熱器設計階段，管板不布管區域建議不進行堆焊處理，或者縮小堆焊范圍，可有效降低熱應力。

3)溫升速率對設備的疲勞使用壽命影響較大，溫升越快，使用壽命越短。

4)在實際運行過程中，建議用戶嚴格按照操作手冊的要求，控制啟動過程中溫升速率不大于3℃/min，停運過程中溫降速率不大于2℃/min，同時應盡可能減少冷態啟停次數。