大型立式換熱器裙座大半錐頂角可靠性研究

胡興苗 張賢安 李禹平 李軍杰

鎮海石化建安工程有限公司 （浙江寧波 315207）

隨著石油化工行業裝置生產規模的日益擴大，立式換熱器也日趨大型化，采用中間裙座的換熱器在國內外應用非常廣泛。NB/T 47041—2014《塔式容器》規定圓錐形裙座殼的半錐頂角不宜超過15°。在實際工程中：底部裙座與底封頭連接，裙座內部空間大，人可以直接進入，制造組裝、安裝檢修較為方便；而中間裙座與筒體連接，如果采用較小半錐頂角，則裙座與筒壁間隙過小，導致對裙座與筒壁之間堆焊結構內側焊縫（圓角過渡）質量的保證、熱處理之后的防腐施工及隔熱箱組焊、裙座內側的保溫施工、在用壓力容器檢驗等都會受到較大影響。因而采用中間裙座時半錐頂角往往會大于15°，如重整反應器、PACKINOX板式換熱器等中間裙座的角度均超過15°。同時，有學者研究認為中間裙座半錐頂角最大可達30°，如圖1所示[1]。因此，對半錐頂角變化下裙座的可靠性研究意義重大。

圖1 中間裙座

裙座可靠性分析主要從強度和穩定性兩方面著手。由于風載、地震載屬于短期載荷，大型立式換熱器高徑比不大且裙座位于中間位置，因而不考慮風載、地震載的影響。裙座與筒體處的連接是不連續結構，所受載荷包括機械載荷及熱載荷，在結構不連續及溫度不均勻的影響下，應力數值很大且分布復雜，依靠解析方法無法準確計算該處的溫度及應力分布。此外，還需對裙座進行軸向載荷穩定性計算。本研究借助ANSYS技術對某裝置中反應流出物/混合進料換熱器在不同半錐頂角下的裙座結構進行應力分析，分別對半錐頂角為 10°、15°、25°、30°4 種結構的裙座進行求解分析。設備相關參數如表1所示。

表1 換熱器設計條件

表1涉及標準為：NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》；GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》。

1 換熱器模型的建立

根據實際工況，按分析需求對換熱器結構進行模型簡化，建立軸對稱模型，如圖2所示。建立4種不同結構模型，其區別在于半錐頂角的大小不一，裙座高度、熱箱高度、裙座筒體厚度等均保持一致。

圖2 換熱器幾何模型示意圖

2 結構熱分析

2.1 熱應力

熱應力會造成裙座與容器之間連接焊縫的開裂破壞，類似的案例在國內外不少[2]。熱應力計算主要分三種情況：一是筒體線性軸向溫度梯度引起的熱應力，二是裙座中線性軸向溫度梯度引起的熱應力，三是裙座中的非線性軸向熱梯度引起的熱應力。為了減小裙座的溫差應力，需要設置隔熱箱[3]來減小其溫度梯度，同時設置保溫層來隔絕熱量散失，并減小裙座厚度方向的熱應力[4]。

2.2 基于ANSYS的穩態熱分析

換熱器正常工作時溫度基本保持穩定，因此采用穩態熱分析。按操作溫度為424℃，設定筒體、熱箱、保溫層對流面邊界，以筒體端面和裙座底面為絕熱邊界，求解可得在操作工況下不同半錐頂角裙座的熱場分布，如圖3所示。由圖3可知，熱箱位置附近的裙座筒體溫度緩慢遞減。

2.3 熱-結構耦合分析

基于熱分析，將熱場導入結構應力計算。設置材料的泊松比和彈性模量，同時加載設備內壓與操作重量，對裙座底板進行軸向約束，求解結果如圖4所示，局部放大圖如圖5所示。由圖4、圖5可知，各結構應力最大位置均在堆焊尖角處，應力場分布規律基本一致。

圖3 4種結構溫度場云圖

2.4 強度分析

采用應力分類法[5]進行評判，對裙座進行等效線性化處理，分析處理結果如下：

（1）熱應力影響最大的位置在裙座與筒體的連接處，設置的熱箱、保溫層對裙座的熱應力起到了降低作用且該位置的應力峰值較大。

（2）對各結構相同位置進行路徑劃分，線性化計算可得各路徑的一次薄膜應力強度（SⅠ）、一次局部薄膜應力強度（SII）及一次加二次應力強度（SⅣ）均通過應力評定且差值不大。

（3）在裙座厚度、熱箱高度及裙座高度一致的前提下，半錐角大小的改變對裙座強度影響不大。

3 結構穩定性分析

3.1 穩定性求解概述

圖4 4種結構應力場云圖

對于中間裙座，除強度問題外，還需考慮其穩定性問題。NB/T 47041—2014中規定圓錐形裙座殼的半錐頂角不宜超過15°，其目的在于控制受軸向力時臨界許用應力值的大小。由標準可知該值與錐殼半頂角的余弦平方成正比，隨著錐殼半頂角的增大，臨界值將降低。采用ANSYS軟件對該結構進行屈曲分析，為使求解真實可靠，結合實際工程應用，同時考慮幾何非線性及材料非線性，如此也更易收斂[6]。

3.2 基于ANSYS的結構非線性屈曲分析

非線性屈曲分析的理論基礎是用一種逐漸增大載荷的非線性靜力學分析來求得結構開始變得不穩定時的臨界載荷。以設備在穩定工況下操作進行分析，設置非線性材料、幾何結構大變形響應、載荷步長，施加相應載荷值。計算出臨界載荷點，各結果云圖如圖6所示，局部放大圖如圖7所示。

結合載荷值與載荷步長，各結構分析結果如表2所示。

圖5 4種結構應力場云圖（局部放大）

由表2可知，隨半錐頂角角度的增大，屈曲載荷因子逐漸減小，當半錐頂角為30°時，屈曲載荷因子為18.3，有較大的余量。

4 結論

（1）在裙座厚度、熱箱高度及裙座高度一致的前提下，經有限元求解，沿裙座自上而下分別取多個路徑起始點，并沿裙座厚度方向取路徑，采用應力分類法進行評定，可知各結構相同位置路徑評定值相差不大，說明半錐角大小的改變對裙座強度的影響不大。

（2）半錐頂角變化與中間裙座能夠承受的軸向載荷有明顯的關聯，分析可得屈曲載荷因子隨角度的增大而減小。通過對屈曲載荷因子的比對，不難發現，屈曲載荷因子與錐殼半頂角的余弦平方近似于正比關系。

（3）通過非線性屈曲分析可知，當錐殼半錐頂角為30°時，裙座在承載18.3倍的設備重量時才會失穩，余量較大。因此，設計立式換熱器中間裙座時，錐殼半錐頂角可超過15°。

圖6 4種結構屈曲分析云圖（放大3倍）

表2 裙座半錐頂角與屈曲載荷因子

圖7 4種結構屈曲分析局部放大云圖