管殼式余熱鍋爐薄管板與換熱管脹接性能研究

胡 濤 時明偉

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司）

管殼式余熱廢鍋（以下簡稱余鍋）是石油化工行業(yè)中用于尾氣處理的主要裝置， 整個裝置在工作過程中處于高溫狀態(tài)。 為了保證余鍋的管板在高溫狀態(tài)下不會因為過量的溫差應力發(fā)生破壞， 該類型余鍋管板一般采用撓性管板設計方法進行設計，其厚度往往較小［1］。 在實際工程應用中，由于管板較薄，換熱管和管板連接宜采用強度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)形式， 且應該先貼脹后強度焊［2］，這樣能夠很好地消除間隙腐蝕和應力腐蝕，提高接頭的疲勞性能。 薄管板和換熱管的貼脹質(zhì)量主要由殘余接觸壓力等因素控制。其中脹接壓力和脹接長度直接影響殘余接觸壓力。 筆者探究脹接壓力和脹接長度對殘余接觸壓力的影響規(guī)律， 為薄管板和換熱管的密封性能設計提供一定的參考。

1 設計參數(shù)

筆者選用某在役余鍋的薄管板和換熱管連接處為研究模型，分析薄管板和換熱管脹接區(qū)域在不同脹接壓力和不同脹接強度下，薄管板和換熱管脹接區(qū)域的殘余接觸壓力。 其具體結(jié)構(gòu)如圖1、2 所示。

圖1 薄管板結(jié)構(gòu)

圖2 薄管板-換熱管連接結(jié)構(gòu)

2 材料性能曲線確定

2.1 確定方法

工程上材料應力-應變曲線的確定方法有兩種，一種是將該種材料制成拉伸試件，使用材料性能拉伸試驗機進行拉伸從而獲得其應力-應變關(guān)系［3］；另外一種是通過數(shù)學方法對材料曲線進行擬合從而獲得其應力-應變關(guān)系［4］。

2.2 材料曲線

數(shù)值分析采用ANSYS 有限元軟件。 ANSYS有限元軟件中是使用多個點來逼近材料曲線，即使采用拉伸方法獲得了材料的應力-應變曲線，仍然需要將曲線離散成多個點，以便在軟件中模擬出此曲線， 并且采用拉伸方法獲得材料的應力-應變曲線需要試件、專用儀器等設備，較為復雜。 因此工程上多采用擬合的方法來獲得材料應力-應變曲線。

擬合方法大致分為兩段擬合、 多段擬合、冪函數(shù)擬合和ASME 擬合方法。 其中工程上應用最廣泛，也是最能得到認同的方法是ASME 擬合方法。 下面將使用ASME 擬合方法確定15CrMo（換熱管材料）和15CrMoR（薄管板材料）的應力-應變曲線。 查詢JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分 析設計 標準》（2005 年確認） 和GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》確定ASME 擬合方法中需要的各種參數(shù)，最終經(jīng)過計算和擬合可以得到15CrMo 和15CrMoR 的應力-應變曲線如圖3 所示。

圖3 不同材料的應力-應變曲線

3 數(shù)值計算模型

根據(jù)圖1、2 所示的管板和換熱管結(jié)構(gòu)，利用其受力特點和結(jié)構(gòu)特征，并依據(jù)彈性力學和有限元理論進行簡化后［5］，建立幾何模型，并采用PLANE182 單元對它進行網(wǎng)格劃分， 得到如圖4所示的有限元模型。

圖4 有限元模型

確定其具體簡化結(jié)構(gòu)后，再依據(jù)第2 節(jié)得到的15CrMo 和15CrMoR 材料的應力-應變曲線，在ANSYS 中輸入將它轉(zhuǎn)化為程序可用的材料特性曲線。 按照模型簡化情況和其設計條件施加相應載荷后即得到完整的有限元模型。

4 脹接壓力和脹接長度對密封性能的影響

4.1 脹接壓力有限元數(shù)值計算

4.1.1 計算方案

本節(jié)主要探究脹接長度L0一定時，脹接壓力和殘余接觸壓力之間的關(guān)系。 將脹接壓力180MPa 設定為一初值，假設一個無量綱α：

式中 p——脹接壓力，MPa；

p0——初定脹接壓力，MPa。

采用此定義即可探究脹接壓力的大小對殘余接觸壓力的影響。 并且采用此方法計算得到的結(jié)果和結(jié)論還可以推廣到其他類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上。

筆者將脹接壓力設置為144～270MPa， 且每18MPa 作為一個計算點，通過式（1）可以得到系數(shù)α 的計算范圍（表1）。

表1 系數(shù)α 的計算范圍

4.1.2 計算結(jié)果

根據(jù)4.1.1 節(jié)確定的計算方案，使用數(shù)值分析軟件ANSYS 中的時間歷程模塊先加載再卸載，可以得到如圖5 所示的計算結(jié)果， 根據(jù)圖5 所示結(jié)果繪制殘余接觸壓力隨系數(shù)α 的變化曲線（圖6）。由于，殘余接觸壓力越大，管板與換熱管之間的密封性能越好［6］，從圖5、6 可以看出隨著脹接壓力的提高，殘余接觸壓力也越大，因此，說明薄管板和換熱管間的密封性能更好。 但是當脹接壓力過高時，脹接設備也會越來越貴，經(jīng)濟性較差。 因此在實際工程中， 余鍋薄管板和換熱管在脹接壓力允許的情況下，脹接壓力越大越好。

圖5 不同系數(shù)α 下的殘余接觸壓力分布

圖6 殘余接觸壓力隨系數(shù)α 的變化

4.2 脹接長度有限元數(shù)值計算

4.2.1 計算方案

本節(jié)主要探究脹接壓力p0一定時，脹接長度和殘余接觸壓力之間的關(guān)系。 將脹接長度16mm設定為一初值，假設一個無量綱β：

式中 L——脹接長度，mm；

L0——初定脹接長度，mm。

采用此定義即可探究脹接長度的大小對殘余接觸壓力的影響。

筆者將脹接長度設置為11.2～22.4mm， 并且每1.6mm 作為一個計算點，通過式（2）可以得到系數(shù)β 的計算范圍（表2）。

表2 系數(shù)β 的計算范圍

4.2.2 計算結(jié)果

根據(jù)4.2.1 節(jié)確定的計算方案， 使用數(shù)值分析軟件ANSYS 中的時間歷程模塊先加載再卸載， 可以得到如圖7 所示的計算結(jié)果。 從圖7、8可以得出：脹接長度越長，殘余接觸壓力也越大，薄管板和換熱管間的密封要性能更好。 但是規(guī)范規(guī)定： 脹接開始區(qū)域至少要比焊縫長度大3mm，脹接長度受焊縫長度限制。 因此在實際工程中，余鍋薄管板和換熱管在脹接長度允許的情況下，脹接長度越長越好。

圖7 不同系數(shù)β 下的殘余接觸壓力分布

圖8 殘余接觸壓力隨系數(shù)β 的變化

5 結(jié)束語

選用某在役管殼式余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)作為研究基礎，探討了在相同脹接長度下，不同脹接壓力對余鍋薄管板與換熱管之間密封性能的影響；同時探討了在相同脹接壓力下，不同脹接長度對余鍋薄管板與換熱管間密封性能的影響。 通過比較分析， 在滿足工程要求和經(jīng)濟性的情況下，應選擇較大的脹接壓力和脹接長度，保證脹接后殘余接觸壓力越大，密封性能越佳，更好地避免縫隙腐蝕、應力腐蝕等現(xiàn)象，從而提高余熱鍋爐壽命。 同時在余鍋薄管板和換熱管脹接連接處設計時， 可參照筆者運用的數(shù)值分析方法進行計算，提供一組既經(jīng)濟又安全的脹接壓力和脹接長度，為管殼式余熱鍋爐的設計提供一定的參考。