鍋爐給水預熱器管板的優化設計與分析

李艷芹，丁昌，吳超，張德海

（鄭州輕工業大學 a.機電工程學院；b.能源與動力工程學院，鄭州 450002）

在化工、石油、動力、食品以及其他工業部門中，管殼式換熱器是目前應用最廣泛、最重要的一種換熱器型式，在工業生產中占據著主導地位，其中固定管板式換熱器使用量占最大比例[1—2]。固定管板式換熱器結構主要由管箱、管板、殼體、封頭、管子等零部件組成，而管板是管殼式換熱器的主要受壓元件。

早在2000 年馬永其就對“薄管板”問題和危險工況進行了深入研究，并論述了標準規范的局限性，提出運用有限元法對管殼式換熱器管板進行整體模擬分析的方法[3]。關婷等利用SolidWorks 軟件建立管板的三維模型，對管板進行了應力應變及溫度應變的分析，為提高和改善管板的結構性能提供了理論依據和實際方法[4]。楊連紅等[5]和占雙林等[6]先后利用Ansys 和SolidWorks 對管板6 種工況下的應力進行了分析研究和強度校核，并提出對應的改善方案和優化措施。

用于吸收變換氣過熱的鍋爐給水預熱器，也是固定管板式換熱器的一種。文中主要研究鍋爐給水預熱器管板在給定工況下的應力狀態以及完成工作狀態下的強度校核，并提出提高和改善管板結構性能的實際方法，對節約材料、降低成本有著至關重要的作用。

1 預熱器初始參數和設計結果

設計的鍋爐給水預熱器是用于吸收變換氣的高溫以提高鍋爐給水溫度的列管式換熱器，預熱器管程內介質為變換氣，其為有毒氣體，因此在換熱管內要提高其密封效果。低溫給水走殼程，以逆流的形式與管程變換氣完成換熱，以提高鍋爐給水的溫度，進而達到鍋爐給水標準，節省燃料。設計參數如表1所示。經工藝計算確定設備公稱直徑為1000 mm，換熱管規格為Ф25 mm×2 mm，管間距為32 mm，長度為2500 mm，需要換熱管790 根。換熱器材料參數如表2，其中材料數據取自GB 150.2，熱分析材料參數如表3，其中材料數據取自GB 150.2。

表1 換熱器初始參數Tab.1 Initial parameters of heat exchanger

表2 換熱器材料參數表Tab.2 Parameters of heat exchanger material

表3 熱分析材料參數Tab.3 Parameters of thermal analysis material

2 管板的結構設計簡述

管板是換熱器的主要受壓元件，起支撐固定換熱管的作用，管板結構的正確合理設計對換熱設備的安全運行有著極其重要的意義。基于設計條件要求，遵照GB/T 151[7]，對該鍋爐給水預熱器的管板進行結構選型及厚度計算。

管板的選型和選材是根據GB/T 151 選擇e 型連接方式，該連接方式中管板與殼程圓筒連為整體，其延長部分兼作法蘭，用螺柱、墊片和管箱連接。依據GB 150.2[8]給出的材料特性，并結合設計條件要求選擇16Mn 鍛件作為管板材料。

管板布管方式是采用換熱管正三角形標準排列方式，換熱管外徑及管中心距如圖1 所示。管板計算厚度計算見式（1）。

圖1 布管尺寸Fig.1 Size of cloth tube

式中：δ為管板厚度（mm）；DG為墊片壓緊力作用中心圓直徑（mm）；Cc為管殼式換熱器管板計算因數；pd為管板設計壓力（MPa）；μ為管板強度消弱系數，取0.4；[σ]為管板材料的許用應力：當3 mm≤δ＜16 mm 時，[σ]=183 MPa；當16 mm≤δ＜36 mm 時，[σ]=170 MPa；當36 mm≤δ＜60 mm 時，[σ]=160 MPa。

根據公式計算出管板外徑為1295 mm，厚度為100 mm，材質為16Mn 鍛件，換熱管規格為Ф25 mm×2 mm，材質為00Cr19Ni10。根據其外形及結構尺寸在SolidWorks 里繪制出管板的三維模型，如圖2 所示。

圖2 管板結構Fig.2 Structure of tube plate

3 模型建立及有限元分析

3.1 分析模型的建立

選取換熱器的左管板、殼程圓筒和換熱管為分析對象，以中軸線為z軸，按照右手定則建立直角坐標系，將機械應力和熱應力進行耦合計算獲得圖3。

圖3 有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model

3.2 模型網格化

有限元模型網格的合理劃分對應力分析以及熱力分析至關重要[9]。通過施加約束條件，規定自由度，采用系統自動加密網格化參數，網格類型為實體單元網格，滿足分析要求。網格單元共有177 211 個，節點有601 259 個，如圖4 所示。

3.3 載荷及約束的施加

模型分析時需要的載荷包括管程壓力、殼程壓力以及溫度載荷。取管程溫度載荷恒定為管程的設計溫度，殼程溫度載荷恒定為殼程的設計溫度[10]。對于位移邊界，管板螺栓面施加軸向約束，圓筒斷面施加軸向約束。

圖4 有限元網格模型Fig.4 Finite element grid model

1）溫度載荷。管程溫度選190 ℃，殼程選170 ℃，殼程和筒體外表面的空氣對流邊界數值選 12×10-6W/(mm2·℃)，環溫選20 ℃。

2）機械載荷。機械應力分析：工況Ⅰ，殼程單獨作用，板材應力ps=1.6 MPa，管材應力pt=0 MPa；工況Ⅱ，管程單獨作用，ps=0，pt=4.5 MPa；工況Ⅲ，殼程+管程，ps=1.6 MPa，pt=4.5 MPa。熱應力耦合分析：工況Ⅳ，殼程+管程+溫度載荷，ps=1.6 MPa，pt=4.5 MPa，管材溫度為170 ℃，板材溫度載荷為190 ℃。

4 有限元計算結果

4.1 結構應力分析

先對工況Ⅰ—Ⅲ進行管板的受力分析，分析結果如圖5 和圖6 所示。由應力強度分布云圖6 可以看出，在沒有溫度場的作用下，管板和筒體的結構應力值較小，易評定合格，且3 種工況下的最大應力值為306.02 MPa，出現在筒體和管板的外接觸邊緣及部分管板非布管區內部，并向管板中心區迅速減小，在中心處應力值達到最小；筒體應力自與管板接觸處向遠離管板方向均勻遞減，其值偏小，亦符合 JB/T 4732[11]的設計要求。由變形云圖5 可以得出，筒體變形明顯比管板變形大，所受彎曲應力更大，但整體變形符合要求，最大變形出現在遠離管板的筒體外緣，且沿軸向方向均勻減小。管板變形最小區域出現在管板半徑的1/2～2/3 形狀處，且分別沿徑向向管板邊緣和中心區域遞增，管板沿軸向方向的變形均勻，說明軸向方向彎曲變形較小。

4.2 熱應力分析

對工況Ⅳ進行機械載荷和溫度載荷的熱應力耦合分析，分析結果如圖7 和圖8 所示。由圖7 可以得出，靠近殼程低溫側的布管區沿軸向的溫度梯度變化最為劇烈，靠近管程高溫側的布管區沿軸向的溫度梯度變化比較舒緩，高溫側布管區的管板沿徑向的溫度梯度變化也不大，且管橋區域溫度基本處于恒定，管板非布管區沿軸向的溫度數值變化較大，但溫度梯度相對不大。遠離布管區的管板邊緣及筒體部分的溫度梯度變化相對都不是很明顯，可見管板溫度沿不同路徑[12]的分布形態有所異同。

圖5 變形云圖Fig.5 Deformation nephogram

圖6 應力強度云圖Fig.6 Stress intensity nephogram

圖7 工況Ⅳ-1 溫度場分布云圖Fig.7 Temperature field distribution nephogram of working condition Ⅳ-1

由圖8 可以看出，在考慮溫度場的熱應力耦合工況Ⅳ時，其管板及筒體的變形都相對工況Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ有所增大，因其所受的二次應力數值比較大，且薄膜應力和彎曲應力均為二次應力，按照相關標準進行評定達到合格要求[13]。

圖8 工況Ⅳ-2 變形云圖Fig.8 Deformation nephogram of working condition Ⅳ-2

4.3 換熱管應力分析

4.3.1 換熱管軸向應力分布

上述4 種設計工況下，分別對有限元模型進行計算，得到整體換熱管的軸向應力分布云圖，換熱管最大軸向拉應力出現在換熱管進氣口脹接處且靠近管板及管板中心處，最小軸向拉應力出現在管板半徑的1/2～2/3 區域。在遠離管板的區域里，換熱管的軸向拉應力逐漸遞減，呈現處明顯的“表面熱效應”[14—15]。

4.3.2 換熱管的應力評定

由以上4 種設計工況下的應力計算結果，根據對稱性來求得各換熱管軸截面上拉應力的最大平均值，用以評定管板與換熱管的拉脫力以及筒體與換熱管的穩定性。換熱管的應力可根據表4 中換熱管的應力種類及許用極限值來評定，其中，σ代表應力，[σ]是許用應力，是拉應力許用極限，是穩定（臨界）拉應力許用極限，q是拉脫力，[q]是許用拉脫力，σt是軸向拉應力，σt'是軸向壓應力。

表4 換熱管應力種類及許用極限Tab.4 Stress type and allowable limit of heat exchange tube

對4 種工況下換熱管的應力評定結果見表5，可見4 種工況下的應力評定都合格，只是工況Ⅳ在溫度載荷的耦合作用下應力略大，通過采用增加換熱管根數、增設膨脹節的方法，有效降低了軸向應力值，改善管板的受力狀態[16]。

表5 換熱管的應力評定Tab.5 Stress evaluation of heat exchanger tube

5 結語

根據ANSYS 軟件模擬分析預熱器的結果可得出以下結論。

1）不同于大直徑撓性薄管板，設計的預熱器管板彎曲應力更小，管板邊緣剪切應力也更小。

2）在設計工況下，管板、筒體應力以及換熱管的軸向拉應力、拉脫力均評定合格。

3）預熱器設計過程中，當換熱管的軸向應力略大時，可通過增加換熱管根數、增設膨脹節的方法降低換熱管應力，這為該類設計就如何改善管板的受力狀態提高方法和依據。

4）設計的鍋爐給水預熱器滿足強度要求。采用的設計方法為鍋爐給水預熱器管板的結構性能優化提供了理論依據和判定標準。