蒸汽冷凝罐的設計與強度校核

趙昊 張樂

一、引言

隨著我國經濟的高速發展，各個產業規模連年壯大，相應的工業廢水量也在逐年增長。電力、化工、冶金和食品等行業產生的工業廢水大多是高鹽廢水，被污水處理行業認為是高處理難度廢水。高鹽廢水的直接排放行為已經被環境保護部門明令禁止，可見其危害之大。先進的MVR蒸發結晶技術可以高效地實現鹽分從水中分離，具有很好的實用性和經濟性。蒸汽冷凝罐是蒸發系統中使用量很大的必需設備，以此為例進行有限元強度分析，探索有限元分析工具在MVR蒸發系統中的應用價值。

二、罐體概述

蒸汽冷凝罐是整個蒸發系統中的工作設備之一，罐體內的壓力由罐頂的泄壓閥調節，始終保持與蒸發系統的其他設備壓力一致。由于主蒸發器為真空負壓，蒸汽冷凝罐體內工作壓力也相應為負壓。因此，蒸汽冷凝罐屬于真空容器，須采用GB150的外壓容器設計原則。罐體的設計是穩定性計算，對罐體壁厚的計算是為了防止罐體在負壓作用下發生殼體失穩。罐體的工作尺寸如表1所列。

1、壁厚計算

2、壓力試驗計算

試驗壓力值P=1.25Pc =0.125MPa。壓力試驗允許通過對應力水平[σ]≤0.9σs =405MPa。

三、有限元建模

1、建立三維模型

蒸汽冷凝罐的三維模型由專業三維設計軟件繪制，模型尺寸采用SI（mm）國際單位制，根據生產工藝圖紙1：1實現，如圖1所示。依據GB150的要求，罐身材料選用具備耐腐蝕和高強度的2205標準雙相不銹鋼材質。

2、建立有限元模型

有限元分析依據強度理論，將三維模型導入到ABAQUS有限元分析工具中，對表現宏觀應力不起關鍵作用的零部件進行簡化處理，以突出主體工作部位工況條件下的力學響應，同時提高計算速度。要建立蒸汽冷凝罐有限元分析模型，必須輸入必要的材料參數和邊界條件。再通過合理的網格劃分，對有限元模型進行必要的前處理。

在有限元軟件中，也采用SI（mm）國際單位制，輸入罐體的材料參數。其中，罐身材質為標準雙相不銹鋼2205，由ASME規范的材料數據，常溫下該材料最小力學性能的數值如表2所列。高溫下（38～316℃）的最大許用應力范圍是155～139MPa，熱膨脹系數（20～100℃）為1.3 e-5mm/℃。

ABAQUS軟件提供了非常方便高效的網格劃分手段，蒸汽冷凝罐體適用殼單元模型。蒸汽冷凝罐罐體的網格單元共計32 368個，節點共計32 756個。罐體與底座采用一維剛性連接，法蘭與罐體設置為共節點，劃分結果如圖2所示。

3、載荷與約束

為避免流體運動帶來的微觀力學響應部分，將罐體內部液體視為相對靜止。將罐體自重、液體的重力以及工況時負壓作為主要的宏觀力學考查因素。蒸汽冷凝罐所受載荷主要有三部分：第一部分為空載時罐體的自重；第二部分為靜水壓力，即水壓；第三部分為蒸發系統工作時抽真空帶來的負壓，即外壓。

四、結果分析

1、有限元分析

利用有限元軟件對模型受自重、水壓和負壓的綜合作用進行計算。得到Mises應力分布和位移分布云圖，Mises應力云圖如圖3所示，位移分布云圖如圖4所示。

從圖3中能夠清楚地看到應力集中部位及其應力值的大小。應力最大部位發生在支座與罐體連接位置，即罐體底部支座與罐體接觸部位，最大Mises應力為21MPa，如圖5所示。另一處應力較大部位發生在罐體底部，Mises應力17MPa，如圖6所示。兩處的最大應力都遠低于材料的屈服強度，證明罐體的設計強度足夠。

從圖4中可見，最大位移發生在罐體頂部的法蘭端部，最大位移量0.6mm，相較于罐體總尺寸而言，工況條件下的位移量非常小，可以忽略不計，證明罐體的設計剛度足夠。

2、強度校核

罐體在工況條件下，除了自重外，還有水重，這里合并計算，有限元模型提取罐體自重96.2kg，液體體積212L。

計算冷凝罐體負壓造成的外壓影響，即空氣對罐體外壁的壓強，然后將壓強作為載荷加載到壓力容器外表面。由于罐頂泄壓閥的調節作用，罐體內的負壓始終保持與蒸發系統的壓力一致，因此不論罐體內是空載還是滿載，負壓的影響不變。統計罐身處從罐底至罐頂的應力和位移分布，如圖7所示。

綜合分析可知，罐體頂部由于抽真空的作用，負壓影響最大；罐體的底部因為受到罐體自重和液體重力的作用，重力影響最大。另外，上下封頭焊接處的剛度最強，應力影響相對較小。綜合可見，在罐體頂部易產生失穩風險，在罐體底部受力最大，易發生應力集中。

五、結論

◎依據國標GB150設計原則計算罐身的許用應力，確定通用鋼板厚度能夠滿足設計要求；

◎對罐體進行三維建模，并基于強度理論合理劃分網格，以提高計算精度；

◎根據設計和工況條件，確定邊界條件和載荷，模擬計算滿載時的罐體受力響應；

◎通過模擬結果分析和強度校核，發現易發生失穩風險的部位在罐體頂部、底部和支座連接處。但是經過計算，危險發生的概率非常低，幾乎可以忽略，進而驗證了罐體設計的合理性和有限元模型的有效性。