蒸汽發生器的結構優化設計

王 波，張 峻，陸春宏

（云南省化工研究院，云南 昆明 650228）

隨著人類社會的進步和生產力發展，能源消耗越來越快，因此，可再生能源及可持續能源的利用顯得十分重要。我國工業領域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%，而能源利用率僅為33%左右，至少50%的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。從另一角度，我國工業余熱資源豐富，余熱利用率提升空間大，被稱為“新能源”。采用蒸汽發生器回收余熱是提高能源利用率的重要手段，生產的高壓、中壓、低壓蒸汽或熱水，可用于工藝流程、管網供熱及發電等，節能效果顯著。

ANSYS大型通用有限元分析軟件是美國ANSYS公司研發，是融合結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，包括有限元法、邊界元法、有限差分法等技術種類。其中有限元法應用的領域十分廣闊，包括結構力學、流體力學、電路學、電磁學、熱力學、聲學、化學化工反應等。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現在已是國際最流行的有限元分析軟件。隨著有限元技術的快速發展，軟件在機械及化工領域得到廣泛應用[1]，通過建立合理的有限元分析計算模型，能夠解決特殊、復雜結構的應力分析問題，解決采用計算方法導致無法確定邊界條件的難題，同時可考慮具體運行過程中的影響因素，全面地反映其真實情況。蒸汽發生器是熱能回收系統中的關鍵設備，管板兩側壓力及溫度載荷較大，操作條件苛刻，其管板采用撓性薄管板特殊結構。本文通過ANSYS軟件對管板結構進行耦合場（溫度場和應力場）分析及結構優化設計。

1 簡述

某化工項目裝置工藝氣組成成份包含H2、N2、CO、CO2、CH4等。工藝氣入口溫度為730℃，壓力為2.9MPa。經蒸汽發生器換熱后工藝氣的溫度從730℃降至320℃，副產5.0MPa的飽和中壓蒸汽。設備采用厚管板結構，運行情況不好，運行一段時間后管板產生細小裂紋，初步分析是由于溫差應力腐蝕導致。以前有限元技術不成熟，未應用到該領域，無法得知管板在工況載荷下的真實運行情況：何處應力強度大，何處應力強度小。現管板采用撓性薄管板結構，高溫側工藝氣入口端的管板與換熱管連接處采用保護套管和澆注耐火材料相結合的結構。通過ANSYS對管板與換熱管連接處的溫度場分布進行分析，基于溫度場的分布情況，對關鍵受壓元件（管板）進行應力場強度分析及結構優化設計。

2 蒸汽發生器設計參數

殼程筒體內徑為φ2000mm，內部介質為水和飽和蒸汽；管程筒體內徑為φ2200mm，內部介質為工藝氣；筒體和管板的腐蝕余量均為3mm；焊接接頭系數為1。

管程設計壓力3.6MPa，管程殼體材質為14Cr1MoR；

殼程設計壓力5.5MPa，材質為Q345R；

管程設計溫度 350℃，管板材質為14Cr1MoⅢ；

殼程設計溫度290℃，換熱管材質為SA213-T11。

3 蒸汽發生器結構模型

設備整體結構尺寸見圖1。

圖1 設備整體結構尺寸圖

管板結構詳圖見圖2。

圖2 管板結構圖

4 管板與換熱管連接處溫度場分析

工藝氣從入口進入，隨溫度升高，耐火材料與管板、保護套管之間進行導熱傳熱；隨著高溫工藝氣體向保護套管內流動，與保護套管進行對流換熱；而保護管與換熱管之間設計有一定間隙，兩者之間又進行輻射換熱，因此管板與換熱管連接處的換熱比較復雜，該區域換熱是集導熱、對流、輻射于一體的換熱過程。

工藝氣入口處加載與實際工況相同的溫度載荷（730℃），換熱管外壁面加載與實際工況相同溫度載荷（263.5℃）。用ANSYS對管板與換熱管連接處進行溫度場模擬，經過對其溫度場的模擬分析計算，受壓元件管板的最高溫度值為325.75℃；受壓元件換熱管的最高溫度值為291.68℃；保護套管內壁處溫度比較高，沿徑向溫度逐漸降低，以后區域溫度基本不變。管板與換熱管連接處溫度分布場詳見圖3。

圖3 管板與換熱管連接處溫度分布場圖

由于工藝介質中含氫氣，而在高溫、高壓條件下,金屬材料易因吸收氫而導致塑性降低、性能惡化，造成多種形式的材料失效，如氫鼓泡、氫致脆性開裂、高溫氫腐蝕等[2]。故管程選擇具有抗氫腐蝕能力的金屬材質。通過溫度分布場進行模擬分析計算出管板和換熱管的最高溫度，根據管板和換熱管最高溫度值，管程設計溫度取350℃。管程材質選擇抗氫腐蝕能力及抗高溫氧化能力比較好的鉻鉬鋼，管程殼體材質選擇14Cr1MoR，管板材質選擇14Cr1MoⅢ，換熱管材質選擇SA213-T11[3]（鉻鉬鋼管），以上三種材質使用溫度范圍均為20～550℃。

管板與換熱管連接處的溫度分布場模擬分析計算為管程殼體、管板及換熱管的選材提供依據，同時也為應力分析時許用應力Sm的取值提供依據。

5 應力場分析

5.1 分析模型

5.1.1 幾何模型

在建立三維幾何模型時，考慮設備整體結構的對稱性，換熱管布管形式，建立1/4對稱幾何模型。左右管箱筒體沿軸向長度L取值大于2.5(Rt)0.5（R是筒體的平均半徑，t是該筒體的厚度）。根據圣維南原理，管箱筒體邊緣處應力分布對管板處應力分布的影響可以不計。模型的計算厚度按圖紙名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負偏差取值[4]。幾何模型見圖4。

5.1.2 單元選擇

輔助建模型的單元類型整體采用Workbench默認六面體單元（solid186）[5]，進行熱分析的單元類型采用solid70，模型局部網格劃分詳見圖5。

圖4 幾何模型圖

圖5 局部網格劃分圖

5.1.3 位移邊界條件

1）沿模型軸向殼體端面施加對稱約束；2）在模型周向90°的截面上施加對稱約束。

5.1.4 載荷邊界條件

1）在殼程側內表面（包括殼程筒體內表面、管板內表面、換熱管外表面）施加殼程壓力；2）在管程側內表面（包括管箱筒體內表面、管板外表面、換熱管內表面） 施加管程壓力；3） 在管箱筒體端面施加軸向等效應力；4）按工藝條件對模型施加溫度邊界條件。

本次應力分析不考慮重力、風載荷、地震載荷及介質液柱靜壓力。

5.1.5 載荷工況分析

按照GB/151《熱交換器》[6]設計要求，若不能保證殼程壓力Ps與管程壓力Pt在任何情況下同時作用時，則應該分別對Ps與Pt單獨作用的兩種工況分別進行校核。故管板的應力分析計算考慮6種危險載荷工況組合進行計算，具體見表1。

5.2 應力分析及評定

5.2.1 應力評定路徑

根據設備載荷工況，按圖6選取應力評定路徑。

表1 載荷工況組合表

圖6 應力評定路徑圖

5.2.2 應力分析及評定

對六種載荷工況分別進行分析計算，并對管板及過渡段應力強度進行線性化處理，按JB/T4732-1995（2005）《鋼制壓力容器-分析設計標準》[7]的控制條件進行強度評定。根據管板結構的溫度場模擬分析計算，管程設計溫度取350℃，管板材質14Cr1MoⅢ在設計溫度為350℃時的許用應力Sm為140MPa。管板六種載荷工況下的強度評定如下：

1） 工況1中最大應力強度為177.11MPa，出現在路徑B-B，因未考慮溫度載荷，所引起的應力屬于一次應力范疇，最大應力強度SⅢ=177.11MPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；2） 工況2中最大應力強度為286.45MPa，出現在路徑BB，因考慮溫度載荷，所引起的應力屬于二次應力范疇，最大應力強度SⅣ=286.45MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；3） 工況3中最大應力強度為195.95MPa，出現在路徑A-A，因未考慮溫度載荷，所引起的應力屬于一次應力范疇，最大應力強度 SⅢ=195.95MPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；4）工況4中最大應力強度為208.33MPa，出現在路徑B-B，因考慮溫度載荷，所引起的應力屬于二次應力范疇，最大應力強度SⅣ=208.33MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；5） 工況5中最大應力強度為173.46MPa，出現在路徑B-B，因未考慮溫度載荷，所引起的應力屬于一次應力范疇，最大應力強度 SⅢ=173.46MPaMPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；6） 工況6中最大應力強度為184.43MPa，出現在路徑B-B，因考慮溫度載荷，所引起的應力屬于二次應力范疇，最大應力強度SⅣ=184.43MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；

5.2.3 評定結果

經應力線性化處理及分析比較，六種工況中最大應力強度（SⅣ=286.45MPa） 出現在工況2，最大應力強度出現在管板殼側未布管區域中間部位，詳見圖7。所有工況各個評定位置的最大應力強度均滿足管板強度設計要求，故管板及管板與換熱管連接處結構設計合理。

圖7 最大應力強度部位圖

6 結論

項目投產后設備運行正常，設備工藝氣出口溫度和壓力都能滿足后續工藝條件的要求，說明設備采用撓性薄管板結構是合理、安全、可行的。對比厚管板結構，撓性薄管板結構具有很大的優越性。

1）采用薄管板結構，大大減小管板內部溫差應力，避免了管板與管頭之間因溫差應力而損壞。由于管板較薄，加大了換熱強度，提高了換熱效率。設備運行周期長，更安全可靠，具有一定的完善性。2）一般厚管板受法蘭力矩和變形的影響比較大，而薄管板直接與剛度較小的筒體焊接，降低了管板邊緣應力，避免管板應力集中，延長了設備的使用壽命。3）厚管板要求殼體和管壁平均溫差較小（t＜50℃），當溫差t≥50℃時必須在殼體上設置膨脹節。而薄管板結構設計有一個帶弧度的肘節，具有撓性，補償了管束與殼體間的膨脹變形差，減少管板邊緣應力集中，且不需設置膨脹節，節約了制造成本。因此撓性薄管板結構設計有一定先進性。4）厚管板結構，管板厚度（δ=100mm） 比較厚，增加了鉆孔、脹管、焊接等制造難度，加工費時，制造成本高。而采用薄管板結構，厚度（δ=36mm） 比較薄，制造方便容易。節約材料達64%，同時也節約了大量的制造費用，具有很大的經濟性。5）應用ANSYS有限元軟件對撓性薄管板結構進行耦合場（溫度場和應力場）分析設計是可靠的，有限元分析技術為撓性薄管板分析設計提供了理論指導，能更全面的反映管板在各種載荷工況下的真實情況。把復雜的計算交由計算機來完成，節約了大量時間，為廣大設計人員提供了一種安全、可靠、快捷的設計途徑。

管板與換熱管連接處采用保護套管和澆注耐火材料相結合的結構，有效降低了高溫工藝氣側管板表面溫度；耐高溫保護套管材質選用Inconel600，一種使用溫度從低溫到1093℃的Ni-Cr合金。此結構降低了管板表面及換熱管內側溫度，解決了高溫側管板超溫和金屬粉末化[8]腐蝕問題，并為管板和換熱管的選材提供了可行性。

綜上，蒸汽發生器的管板結構采用撓性薄管板結構的優化設計是可行的，對比厚管板結構設計，更安全可靠，最大程度提升了其所創造出的經濟效益，具有一定的先進性、完善性及較大的經濟性。對類似設備的結構設計有很好的借鑒意義，同時也為類似設備的推廣應用提供了一些參考。