制硫余熱鍋爐整體結構有限元優化設計

(中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266101)

制硫余熱鍋爐整體結構有限元優化設計

郭華軍

(中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266101)

制硫余熱鍋爐屬于硫磺回收裝置中的關鍵設備之一，內壓、自重以及地震組合載荷作用下疊裝制硫余熱鍋爐的設計是常規設計計算中的難點。利用ANSYS有限元分析軟件對制硫余熱鍋爐整體模型進行分析設計，得到應力集中局部結構為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內部，通過局部結構細化得到應力云圖及應力結果，并對應力進行了強度評定。依據分析結果，去除了汽包與鍋體之間的鞍座結構以及上升管、下降管的補強圈，使制硫余熱鍋爐的結構更為合理，制造經濟性得到了提高。

余熱鍋爐； 整體結構； 局部結構； 應力強度評定； 有限元分析

1 制硫余熱鍋爐簡介

制硫余熱鍋爐是煉油企業硫磺回收裝置中的關鍵設備之一，在內壓、自重以及地震作用下，疊裝制硫余熱鍋爐的設計計算是常規設計計算中的難點。實際生產中常用規格的某制硫余熱鍋爐的結構示意圖見圖1。

該制硫余熱鍋爐的殼程設計壓力為1.2 MPa、設計溫度為200 ℃，介質為除氧水和水蒸氣。制硫余熱鍋爐鍋體和汽包材料均為Q245R，上升管材料為20鋼[1]，制硫余熱鍋爐的腐蝕裕量3 mm，設計基本地震加速度0.2g。

制硫余熱鍋爐連接制硫燃燒爐，燃燒爐產生的過程氣從左端進入鍋體， 流經鍋體中的管程被冷卻

1.下降管 2.鍋體 3.上升管 4.汽包 5.鍋體與汽包連接鞍座 6.鍋體鞍座圖1 制硫余熱鍋結構示圖

至350 ℃左右，由鍋體右側管口進入裝置管網。過程氣流經制硫余熱鍋爐的同時，除氧水由汽包上的管口進入汽包，由下降管自上而下進入鍋體，與鍋體管程中的過程氣進行熱交換，受熱氣化之后成為1.0 MPa的高溫飽和蒸汽并由上升管進入汽包，由汽包上的管線輸送至裝置管網加以利用[2]。

制硫余熱鍋爐的上升管傳輸高溫蒸汽，并且承擔汽包部分自重，鍋體與汽包連接鞍座承擔汽包部分自重[3，4]。在制硫余熱鍋爐實際運行中，由于鍋體與汽包連接鞍座不會隨著設備溫度的變化而變化，因此它會限制上升管、下降管因溫度作用而產生的變形，產生溫度應力(二次應力)，甚至在不穩定工況等情況下溫度會發生一定程度的交變，有可能在結構不同部位產生塑性變形以及不可逆的積累，出現棘輪現象[5]。因此，鍋體與汽包連接鞍座的存在對設備安定性影響很大。如果去掉鍋體與汽包連接鞍座，在汽包的自重以及地震載荷的作用下，設備的設計強度會有所削弱，可能導致出現設計不安全的問題。

為此，筆者利用有限元方法，綜合考慮該余熱鍋爐的苛刻工作工況，在自重、地震載荷、內壓聯合作用下評定設備結構是否滿足設計要求。由于管程不是分析重點，而且管程計算可以利用常規設計計算求出，故未列出管程的計算參數[6，7]。

2 制硫余熱鍋爐有限元分析

2.1有限元模型建立

余熱鍋爐的管板、換熱管、接管等結構可以利用相關標準計算確定，重點分析鍋體鞍座、鍋體、汽包、下降管、上升管、鍋體與汽包連接鞍座結構，為了簡化模型，利用封頭代替鍋體兩端管板。建立的制硫余熱鍋爐三維模型見圖2，有限元模型網格劃分見圖3。

所建模型的材料為低碳鋼，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，熱膨脹系數取1.2×10-5/℃[8]。

圖2 制硫余熱鍋爐三維模型

圖3 制硫余熱鍋爐有限元模型網格劃分

2.2整體有限元分析

對網格模型合理施加約束條件和初始溫度(20 ℃)，施加重力加速度、地震載荷(z向)、內壓1.2 MPa和溫度載荷200 ℃，得到的第三應力強度SINT應力云圖見圖4。

圖4 制硫余熱鍋爐SINT應力云圖

由圖4可以看出，應力最大及較大部位為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內部，最大SINT應力值為133.48 MPa，但由于只進行了整體網格劃分，未進行局部網格優化處理，所以并不能確定133.48 MPa為準確數值，不能直接用其進行應力評定，但應力最大及較大部位的確定已經達到了整體有限元分析的目的[9]。

2.3局部模型精確數值求解

根據圖4確定的應力最大及較大部位，抽取圖5所示的各局部結構模型進行有限元分析，確定應力準數值并進行應力評定。局部結構模型材料及屬性與整體模型的相同。對局部結構網格模型載入切割邊界條件值，施加重力加速度、地震載荷(z向)、內壓1.2 MPa和溫度載荷200 ℃，得到的SINT應力云圖見圖6[10]。

2.4應力強度評定

應力線性化選擇原則：①通過應力強度最大節點，并沿壁厚方向的最短距離設定線性化路徑。②對于相對高應力強度區，沿壁厚方向設定路徑，無須路徑線性化[11]。

根據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》(2005年確認)[12]中表6-2和表6-4，由鍋體、汽包、上升管材料以及設備溫度200 ℃確定Sm=124 MPa。由于文中考慮了地震載荷，故載荷

圖5 制硫余熱鍋爐局部連接結構模型

圖6 制硫余熱鍋爐局部連接結構SINT應力云圖

組合系數K=1.2。為了計算方便，偏保守仍然取K=1.0[13]。

根據分析計算結果，4個局部結構模型的SINT應力分別為S1=125.8 MPa、S2=123.92 MPa、S3=118.24 MPa、S4=115.26 MPa，而應力強度為1.5Sm=186 MPa，S1、S2、S3、S4均不大于1.5Sm，所以局部結構模型與整體模型在內壓、自重、地震組合工況作用下應力評定均合格[14，15]。根據JB 4732的第3.10條，無需進行疲勞評定[16，17]。

2.5x軸向地震載荷

對制硫余熱鍋爐整體和局部結構模型施加x軸向地震載荷，按照上述步驟重新計算SINT應力并進行評定，結果均合格。

3 結語

利用整體建模整體分析方法，對制硫余熱鍋爐內壓、自重、地震組合載荷工況進行計算分析，得到應力集中局部結構為上升管、下降管與鍋體、汽包連接部位內部，對局部結構建模并細化網格，載入整體模型切割邊界條件值，得到了SINT應力準確結果，對結果進行強度評定，評定結果均合格。此方法突破了常規設計方法只能進行總體薄膜應力計算校核的局限，并且消除了直接局部建模時模型和邊界條件簡化對分析結果的影響。

在內壓、自重、地震組合載荷工況下，整個制硫余熱鍋爐結構滿足設計強度要求，常規設計設置在汽包與鍋體之間的鞍座結構是多余約束，應予取消。有限元應力分析確定了上升管、下降管無需另外設置補強圈結構，優化了常規設計結構，使設備結構更為合理可靠，同時增強了設備制造經濟性。

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(張編)

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FiniteElementOptimizationResearchofOverallStructureofWasteHeatBoilerRecyclingSulfur

GUOHua-jun

(CNOOC Petrochemical Engineering Co. Ltd.， Qingdao 266101， China)

Waste heat boiler, one of the key equipment in sulfur recovery unit, is focused on, and difficult points in common design calculation of stacked waste heat boiler under combined loads of internal pressure，gravity and earthquakes are discussed. The whole model of waste heat boiler established with an application of finite element analysis software ANSYS is analyzed and designed with findings that the stress concentrates in positions connecting the up-flow tube，down-flow tube and the shell, drum. A stress map and stress results are obtained through analysis of the local structure of refinement and further evaluated. According to the analysis result, the saddle structure and reinforcing ring between the boiler body and the steam drum has been removed for a more reasonable structure and a higher manufacture economy of waste heat boiler.

waste heat boiler； holistic model； local model； stress intensity assess； finite element analysis

TQ050.2

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.006

1000-7466(2017)05-0030-05

2017-03-30

郭華軍(1983-)，男，山東德州人，工程師，碩士，從事石油化工設備的設計工作。