繞管式熱交換器管板與封頭連接結(jié)構(gòu)的對比分析和優(yōu)化設(shè)計

馬忠明, 張明慧

(聊城市魯西化工工程設(shè)計有限責(zé)任公司 山東聊城 252000)

根據(jù)管板結(jié)構(gòu)的不同,繞管式熱交換器可以分為整體管板和分體管板(或稱側(cè)向管板)。 分體管板結(jié)構(gòu)的殼體與管板通常采用插入式結(jié)構(gòu)或嵌入式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)既不同于單純的管板,也不同于單純的開孔殼體,而是在滿足管板自身承載要求的前提下同時滿足殼體開孔補強的要求,現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚無該結(jié)構(gòu)的解析計算方法,工程中多采用有限元應(yīng)力分析法[1]。

本文對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《繞管式熱交換器》(NB/T 10938—2022)的制定背景、適用范圍和特點進(jìn)行了介紹,結(jié)合實例分別給出相同工況下,管板與封頭的兩種連接結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果,進(jìn)行必要的對比分析后,對原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,最終的優(yōu)化結(jié)論可為同類結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供理論參考[2]。

1 NB/T 10938—2022 簡介

1.1 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的背景

NB/T 10938—2022 是在繞管式熱交換器設(shè)計、制造及投用數(shù)量不斷增加,且不斷向大型化、高參數(shù)化發(fā)展的大前提下,充分總結(jié)繞管式熱交換器在空分、低溫甲醇洗、天然氣液化、石油加氫等領(lǐng)域的使用業(yè)績及工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[3-4],由國內(nèi)知名設(shè)計院、高校、制造企業(yè)及科研單位共同編制的一部涉及繞管式熱交換器的設(shè)計、制造等各個環(huán)節(jié)的專用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

該標(biāo)準(zhǔn)限定設(shè)計壓力不大于10 MPa,承壓元件材質(zhì)限于奧氏體不銹鋼,使用溫度限制同國家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第2 部分:材料》 (GB/T 150.2—2011)[5],不適用于介質(zhì)易結(jié)垢、結(jié)焦、沉淀等存在堵塞及應(yīng)力腐蝕風(fēng)險的場合。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)的特點

1.3.1 布管型式

在換熱管的布管型式中,針對由于中心筒的存在而無法滿布管的小管板,在國家標(biāo)準(zhǔn)《熱交換器》(GB/T 151—2014)現(xiàn)有布管型式的基礎(chǔ)上,新增了沿圓周均布排列的布管型式[6]。

1.3.2 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)管板的結(jié)構(gòu)特點,標(biāo)準(zhǔn)將繞管式熱交換器分為整體管板和分體管板兩種類型,整體管板又分為整體單股流管板和整體多股流管板,不同類型各有優(yōu)點和缺陷,工程中應(yīng)根據(jù)實際需求選擇合適的類型。

1.3.3 換熱管及繞管工藝

對于換熱管的檢驗方法,標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定水壓試驗或水下氣密性試驗均可采用;對于繞管工藝,為從本質(zhì)上保證換熱管變形平穩(wěn)、材質(zhì)性能穩(wěn)定,規(guī)定其變形率不超過10%,并給出了變形率的經(jīng)驗計算公式。

1.3.4 制造加工要求

該標(biāo)準(zhǔn)的另一特點是消除了業(yè)內(nèi)在部件制造、加工或設(shè)備整體組裝允差方面的分歧,明確規(guī)定了管板和管孔直徑及允差要求、中心筒的制造加工要求,提供了包扎筒的參考制作工藝及支撐結(jié)構(gòu)的布置要求。

1.3.5 管板計算

由于換熱管對管板的支撐作用介于固定管板和U 形管換熱器之間,標(biāo)準(zhǔn)頒布前,對于整體管板的計算,業(yè)內(nèi)一般按U 形管換熱器管板的強度計算方法進(jìn)行計算[7]。 但對于分體管板結(jié)構(gòu),管板直接與殼體連接,其承載形式與U 形管換熱器管板相去甚遠(yuǎn),僅采用常規(guī)方法是不能保證結(jié)構(gòu)承載安全的,此時必須對管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。

另外,為了便于設(shè)計者執(zhí)行,對于管板的局部應(yīng)力分析,該標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)率先應(yīng)用了第四強度理論(即米塞斯屈服準(zhǔn)則),并以資料性附錄的形式明確規(guī)定了載荷工況組合、應(yīng)力性質(zhì)、線性化路徑和應(yīng)力評定許用值的確定原則,統(tǒng)一了基本設(shè)計理念。

2 設(shè)計參數(shù)及主體結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計參數(shù)

某裝置中一級預(yù)冷卻器采用了多股流繞管式換熱結(jié)構(gòu),設(shè)備主體設(shè)計參數(shù)及其他與設(shè)計相關(guān)的地質(zhì)勘查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1(僅為多股流主管程的設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果)。

表1 一級預(yù)冷卻器主體設(shè)計參數(shù)

2.2 主體結(jié)構(gòu)

設(shè)備主體采用鋼結(jié)構(gòu)支撐于混凝土框架之上,設(shè)備本體采用耳式支座支撐,8 個圓周均布,總體外形尺寸及局部結(jié)構(gòu)放大見圖1。

圖1 一級預(yù)冷卻器主體結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)構(gòu)類型及分析

3.1 管板與封頭連接結(jié)構(gòu)

關(guān)于管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),綜合承載能力、制造加工和檢驗驗收等方面的技術(shù)要求,在NB/T 10938—2022 的附錄中給出了插入式和嵌入式兩種參考結(jié)構(gòu)。 插入式和嵌入式管板與殼體連接結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 管板與殼體連接結(jié)構(gòu)[2]

3.2 結(jié)構(gòu)分析

從殼體開孔補強的角度分析,插入式結(jié)構(gòu)插入殼體內(nèi)部和留在殼體外部的部分均可起到補強作用,可以使金屬材料得到充分利用,承載能力比嵌入式結(jié)構(gòu)更強。

但插入式結(jié)構(gòu)同時伴生了其他問題:首先是插入部分與殼體形成了360°承壓夾角,由此形成的結(jié)構(gòu)不連續(xù)在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域與焊縫重疊,處于高應(yīng)力狀態(tài)下,長期運行容易在焊縫表面產(chǎn)生裂紋,危及設(shè)備的本質(zhì)安全;另一方面,管板插入殼體部分的環(huán)面,在殼程內(nèi)壓作用下產(chǎn)生以焊接點為中心的附加彎矩,該彎矩會加劇連接區(qū)的應(yīng)力集中效應(yīng),同時使管板中心特別是孔橋的彎曲應(yīng)力增大,使管板所需截面厚度增加,造成管板材料浪費。

以上是通過定性分析,從承載和受力分析的角度,對兩種結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行的初步判定。 以下采用有限元應(yīng)力分析方法,將具體的應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

4 應(yīng)力分析

4.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

4.1.1 模型構(gòu)建

采用常規(guī)設(shè)計計算方法,確定初始管板厚度為370 mm,材質(zhì)為S30403Ⅲ,插入式結(jié)構(gòu)管板伸入殼體的深度為195 mm,嵌入式結(jié)構(gòu)管板下表面與殼體內(nèi)壁平齊。 為便于計算結(jié)果的對比,插入式與嵌入式結(jié)構(gòu)采用相同的初始管板厚度。

結(jié)合分體管板的結(jié)構(gòu)特點,對有限元模型進(jìn)行適當(dāng)簡化: ①鑒于計算結(jié)構(gòu)的對稱性,計算模型沿殼體圓周方向取其1/4; ②不考慮換熱管外壁與管孔內(nèi)壁間的空隙及二者的接觸摩擦。

基于以上假設(shè)的前提條件,采用插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)分別建立一級預(yù)冷卻器管板與封頭連接結(jié)構(gòu)的三維模型,計算模型見圖3。

圖3 計算模型

4.1.2 網(wǎng)格劃分

采用SOLID186 實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分見圖4。 插入式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量為171 264,節(jié)點數(shù)為858 231;嵌入式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量為171 664,節(jié)點數(shù)為860 330。

圖4 網(wǎng)格劃分

4.2 邊界條件

殼程筒體下部橫向剖分面限定軸向(坐標(biāo)軸中的Y方向)位移為0,縱向剖分面施加無摩擦約束(即經(jīng)典操作環(huán)境中的對稱約束),殼程和管程分別給定對應(yīng)工況下的設(shè)計壓力,換熱管端面不加約束,不考慮管束重力及溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。

4.3 工況分析及求解計算

根據(jù)NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應(yīng)力分析”的要求,需要計算3 種工況,分別為殼程壓力單獨作用、管程壓力單獨作用和管殼程壓力同時作用。 經(jīng)試算,該設(shè)備起決定作用的工況為殼程壓力單獨作用,文中僅展示該工況的計算結(jié)果。

兩種結(jié)構(gòu)殼程壓力單獨作用下的總體應(yīng)力分布云圖見圖5。 從圖5 可以看出,在殼程內(nèi)壓作用下,兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均位于管板與殼體相貫處,最大值分別為319.24 MPa 和239.23 MPa。

圖5 總體應(yīng)力分布云圖

4.4 應(yīng)力強度評定

根據(jù)NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應(yīng)力分析”中的應(yīng)力分類和應(yīng)力評定要求,選取的應(yīng)力線性化路徑的位置及各應(yīng)力線性化路徑的應(yīng)力計算結(jié)果見表2,管板及管板與殼體連接處的應(yīng)力計算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力限定要求。

表2 應(yīng)力評定位置及結(jié)果

4.5 計算結(jié)果的對比分析

從圖5 可以看出:插入式結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中效應(yīng);與插入式結(jié)構(gòu)相比,嵌入式結(jié)構(gòu)承載截面的連續(xù)性有所提高,應(yīng)力集中效應(yīng)得以緩解,管板與殼體連接位置的應(yīng)力最大值由319.24 MPa 降至239.23 MPa。

從表2 可以看出:在主體承載截面尺寸相同的前提下,兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果均滿足NB/T 10938—2022 中的限定要求;對于兩種結(jié)構(gòu),布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋?qū)馨搴穸绕饹Q定作用;相對于插入式結(jié)構(gòu),嵌入式結(jié)構(gòu)的管板中心和布管區(qū)的薄膜應(yīng)力略有升高,而薄膜+彎曲應(yīng)力大幅降低。

插入式結(jié)構(gòu)布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應(yīng)力為190.19 MPa,相對于205.5 MPa 的許用值裕量很小;嵌入式結(jié)構(gòu)布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應(yīng)力為80.340 MPa,尚有非常大的承載空間。

5 管板及管板與殼體連接區(qū)的優(yōu)化設(shè)計

基于兩種承載結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析結(jié)果,采用嵌入式結(jié)構(gòu)對初始設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,管板厚度由原來的370 mm 減至270 mm,優(yōu)化前后的總體應(yīng)力分布云圖見圖6。

圖6 管板厚度優(yōu)化前后的總體應(yīng)力分布云圖

管板厚度減薄后,對管板布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋進(jìn)行應(yīng)力線性化,薄膜+彎曲應(yīng)力的最大值為177.91 MPa,其許用值為205.5 MPa,仍然滿足NB/T 10938—2022 中對管板強度的限定要求。管板厚度減薄后,設(shè)備上下兩塊管板的質(zhì)量減少約4 t,可節(jié)約金屬原材料及管板深孔鉆等機(jī)加工費用約16 萬元;同時在不改變設(shè)備使用要求的前提下,實現(xiàn)了設(shè)備的輕量化設(shè)計。

6 結(jié)語

(1)分體管板的兩種連接形式,雖然插入式結(jié)構(gòu)制造加工簡單,但在管板厚度相同的前提下,嵌入式結(jié)構(gòu)的承載能力優(yōu)于插入式結(jié)構(gòu);在主體結(jié)構(gòu)不變的前提下,嵌入式結(jié)構(gòu)的管板可以設(shè)計得更薄,可降低管板鉆孔難度并減少制造加工費用。

(2)在殼程內(nèi)壓作用下,插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值均位于管板與殼體相貫處。插入式結(jié)構(gòu)由于高應(yīng)力區(qū)與焊縫重疊,在殼程壓力較大時,焊縫開裂的風(fēng)險增大。 而嵌入式結(jié)構(gòu)由于凸肩結(jié)構(gòu)的存在,可以避免高應(yīng)力區(qū)與焊縫的重疊,降低了高應(yīng)力焊縫產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險。

(3)管板與殼體的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和局部應(yīng)力集中越發(fā)明顯,高應(yīng)力運行開裂的風(fēng)險也隨之增大,建議標(biāo)準(zhǔn)在后續(xù)的修訂中對插入式結(jié)構(gòu)開孔率的適用范圍加以限定。

本文給出了插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的對比分析,但未對插入式結(jié)構(gòu)插入殼體的高度對管板及連接區(qū)域應(yīng)力分布的影響進(jìn)行更為詳細(xì)的分析。 在后續(xù)的研究中,可就此開展工作,用具體的數(shù)據(jù)展示應(yīng)力的變化規(guī)律,為兩種結(jié)構(gòu)的選用提供更為科學(xué)可靠的依據(jù)。