帶加強筋薄管板火管廢熱鍋爐有限元應(yīng)力分析

王向舉，徐才福，姜逢章

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著合成氨、甲醇、制氫工業(yè)向大型化、高參數(shù)(高溫、高壓)發(fā)展，采用火管式廢熱鍋爐回收工藝氣體中的高溫位廢熱顯示出明顯的優(yōu)越性。管板是該類廢熱鍋爐的主要部件，其設(shè)計的可靠性是廢熱鍋爐能否安全運行的關(guān)鍵。因此，管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算受到廣泛關(guān)注[1]。

由于傳統(tǒng)管板厚度較大，在厚度方向上熱量傳遞慢、溫度梯度大，極易造成換熱管與管板連接處的破壞，成為換熱器的主要薄弱部分。管板過厚，也使管板與換熱管之間軸向環(huán)隙過大，會發(fā)生鹽類物質(zhì)在環(huán)隙中濃縮、結(jié)垢，進而產(chǎn)生氯根腐蝕。在高溫條件下，厚管板換熱器很難保證設(shè)備的長周期運行。而采用薄管板有效地降低了氣側(cè)和水側(cè)的溫差，既可有效避免換熱管與管板連接處的破壞以及管板開裂引起的設(shè)備失效，還具有節(jié)省材料、增加換熱管長度和提高換熱效率等優(yōu)點[2]。高溫熱回收帶加強筋薄管板廢熱鍋爐的換熱管長度達到了13m，甚至更長，遠超傳統(tǒng)柔性薄管板的應(yīng)用長度(一般規(guī)定在7m左右)，在火管廢鍋大型化方面具有更大技術(shù)優(yōu)勢，該類廢鍋結(jié)構(gòu)型式在國內(nèi)設(shè)計及制造較少，主要由歐洲廠商進行設(shè)計及制造。本文以ASME標準為依據(jù)，對計算結(jié)果進行應(yīng)力分析評估，以期分析結(jié)果可為該類帶加強筋薄管板廢熱鍋爐的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶加強筋薄管板火管廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1。進口高溫側(cè)管板采用薄管板結(jié)構(gòu)型式，外側(cè)的加強鍛件和各加強筋板與鍛環(huán)焊接，加強筋板通過加強筋圓柱與薄管板焊接。進口管程內(nèi)壁及管程側(cè)管板采用敷設(shè)澆注料，以避免高溫氣流直接接觸殼體及管板。出口管板由于管殼程溫差小，采用厚管板型式，設(shè)備中心部位設(shè)置旁通管。

殼程水/蒸汽壓力為13.2 MPa(g)，水/蒸汽溫度為323.6℃；管程氣體壓力為3.8 MPa(g)，進口氣體溫度為967℃，出口氣體溫度為355℃。

進出口管板、管板外鍛件、鍛環(huán)及旁路管為SA-336 F11.Cl.3；管程進出口殼體、加強筋為SA-387 Gr.11 Cl.12；殼程殼體為SA-302 Gr.B；管束為SA-213 T11。

1.2 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，建立四分之一有限元模型(見圖2)。全部模型(包括管束)采用3D實體模型，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析采用SOLID185單元，熱分析采用SOLID70單元。其中，管束與管板連接部分采用3D實體模型，中間部分采用3D梁單元(BEAM188)。管程壓力引起梁單元模擬的換熱管縱向(軸向)伸長率由當量溫差替代。

根據(jù)不同介質(zhì)的薄膜導(dǎo)熱系數(shù)進行溫度場計算，進口管程澆注料未在有限元模型中建立，根據(jù)進口介質(zhì)薄膜導(dǎo)熱系數(shù)、澆注料厚度及澆注料傳熱性能進行當量計算，求得進口介質(zhì)當量傳熱系數(shù)，從而實現(xiàn)澆注料模型計算，溫度分布計算結(jié)果見圖11。

依據(jù)ASME第Ⅷ卷第2冊第5部分中的失效模式，對防止塑性垮塌、防止局部失效、防止由失穩(wěn)引起的垮塌、防止由循環(huán)載荷所引起的失效進行評估，定義了3種載荷工況。

(1)載荷工況1：殼程側(cè)壓力，加強筋圓柱與加強筋板連接面軸向約束，進口薄管板外鍛件與殼程筒體連接面軸向約束，出口管板與殼程筒體連接面軸向約束。

(2)載荷工況2：殼程側(cè)壓力，進口管程筒體外端面軸向約束。

(3)載荷工況3：殼程側(cè)壓力，進口管程筒體外端面軸向約束，溫度載荷。

2 應(yīng)力分析結(jié)果

2.1 載荷工況1

采用彈性應(yīng)力分析法對防止塑性垮塌和局部失效進行了應(yīng)力評定。對于不同位置的最大應(yīng)力水平，根據(jù)ASME第Ⅷ卷第2冊第5部分進行應(yīng)力評定，應(yīng)力評定路徑見圖3。圖4應(yīng)力分布云圖所示的計算von mises等效應(yīng)力包括一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F。應(yīng)力強度評定結(jié)果見表1，S為ASME第Ⅷ卷第2冊材料的許用應(yīng)力值。根據(jù)應(yīng)力云圖與表1中數(shù)據(jù)可知，進口薄管板最大應(yīng)力處為管板外邊緣與外鍛件連接區(qū)域。

圖3 應(yīng)力評定路徑圖

表1 載荷工況1應(yīng)力強度評定結(jié)果

部件計算應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPa應(yīng)力評定路徑結(jié)論進口薄管板PL+Pb = 141.5 PL= 69.98 1.5×S =234.0 1.0×S =156.0PATH1合格進口薄管板外鍛件PL+Pb=147.0PL=85.281.5×S =234.01.0×S =156.0PATH2合格PL+Pb=70.74 PL=58.631.5×S =234.01.0×S =156.0PATH3合格PL+Pb=94.54 PL= 71.131.5×S =234.0 1.0×S =156.0PATH4合格出口管板PL+Pb = 156.5 PL= 115.3 1.5×S =234.0 1.0×S =156.0PATH5合格PL+Pb = 67.62 PL=27.73 1.5×S =234.0 1.0×S =156.0PATH6合格

2.2 載荷工況2及載荷工況3

進行防止由失穩(wěn)引起的垮塌的評估，以免在設(shè)計荷載下具有壓縮應(yīng)力場的部件發(fā)生屈曲，主要評估管束的穩(wěn)定性。根據(jù)ASME第Ⅷ卷第2冊4.18.8.4中的公式，計算出換熱管最大允許屈曲應(yīng)力為42.9 MPa，通過應(yīng)力分析計算得出管束中的最大壓縮應(yīng)力為11.3 MPa，在滿足管束穩(wěn)定性的情況下也要關(guān)注加強筋圓柱的安全性，兩者的安全匹配性需要進行一定的核算調(diào)整。

通過疲勞評估和棘輪效應(yīng)評估來考慮防止循環(huán)荷載破壞的保護措施。ASME第Ⅷ卷第2冊第5部分表5.9中的標準符合預(yù)期運行周期(500個)，一般換熱器不需要進行疲勞分析。

采用彈性棘輪分析法對載荷工況2和載荷工況3進行棘輪防護評估。Sps為ASME第Ⅷ卷第2冊材料的4倍許用應(yīng)力值。表2中給出了載荷工況2和載荷工況3中的最大總等效應(yīng)力，并與允許的棘輪極限進行了比較。通過應(yīng)力云圖(見圖5～10)結(jié)果可知，在工況3有溫度載荷的工況下，加強筋圓柱受力遠大于工況2無溫度載荷工況，但工況3下薄管板的受力明顯小于工況2，說明在有溫度載荷的操作工況下，加強筋對薄管板起到了非常好的保護作用。載荷工況2及工況3評定結(jié)果見表2。

圖5 載荷工況2應(yīng)力分布云圖(進口、出口管板)

圖6 載荷工況2應(yīng)力分布云圖(進口薄管板)

表2 載荷工況2及載荷工況3評定結(jié)果

項目部件計算應(yīng)力/MPa許用應(yīng)力/MPa應(yīng)力云圖結(jié)論載荷工況2進口、出口管板PL+Pb+Q+F=406.1Sps=544.0Tmax =375.0℃圖5合格加強筋圓柱PL+Pb+Q+F=269.1Sps=544.0Tmax=375.0℃圖7合格載荷工況3進口、出口管板PL+Pb+Q+F=416.7Sps=544.0Tmax=375.0℃圖8合格加強筋圓柱PL+Pb+Q+F=385.5Sps=544.0Tmax =375.0℃圖10合格

圖7 載荷工況2應(yīng)力分布云圖(加強筋圓柱)

圖8 載荷工況3應(yīng)力分布云圖(進口、出口管板)

圖9 載荷工況3應(yīng)力分布云圖(進口薄管板)

圖10 載荷工況3應(yīng)力分布云圖(加強筋圓柱)

圖11 載荷工況3溫度分布云圖(進口、出口管板)

3 結(jié)語

(1)由于進口溫度較高，采用殼體加澆注料結(jié)構(gòu)形式，在進行應(yīng)力分析時，根據(jù)進口介質(zhì)薄膜導(dǎo)熱系數(shù)、澆注料厚度及澆注料傳熱性能進行當量計算，求得進口介質(zhì)當量傳熱系數(shù)，從而實現(xiàn)澆注料的模型計算，進而簡化有限元模型。

(2)根據(jù)對帶加強筋薄管板的應(yīng)力分析，通過應(yīng)力云圖結(jié)果可知，管板外邊緣處加強筋圓柱受力整體遠大于中部加強筋圓柱受力，說明管板外部加強筋圓柱起到了較大的強度支撐作用，因此，在設(shè)置加強筋時，加強筋圓柱應(yīng)盡量布置到管板外邊緣處，為管板提供足夠的強度支撐。

(3)根據(jù)對帶加強筋薄管板的應(yīng)力分析，通過應(yīng)力云圖結(jié)果可知，在工況3有溫度載荷的工況下，加強筋圓柱受力遠大于工況2無溫度載荷工況，但工況3下薄管板的受力明顯小于工況2，說明在有溫度載荷的操作工況下，加強筋對薄管板起到了非常好的保護作用。

(4)由于帶加強筋薄管板結(jié)構(gòu)適用于換熱管較長火管廢熱鍋爐，換熱管長度達到了13m，因此，對換熱管的直線度要提出嚴格的要求，以免穿管困難的情況發(fā)生。