偏心布管撓性管板的分析設計

賽鼎工程有限公司 太原 030032

廢熱回收器作為一種熱能回收的重要設備，在化工行業里得到越來越廣泛的應用。偏心布管固定式撓性管板結構作為廢熱回收器的典型結構，常常處于苛刻的操作條件下，其主要具有以下特點：①撓性管板有柔性，除了承受內壓外，還能減小管板厚度方向的溫差載荷，平衡管束和殼體之間的膨脹差，減小管板邊緣的局部應力；②管板薄，有效換熱管長度增加，提高了熱效率；③節省了原材料，減輕了設備重量，容易制造加工，成本較低。

目前國內撓性管板的設計計算主要有兩種方法：①以西德AD規范發展而來的拉撐平板假想圓法(GB/T 151-2014[1]附錄M)，此法考慮了換熱管對管板的加強作用，將每根管子作為支撐點，將管板視作許多支撐作用下的拉撐平板，考察其最大無支撐區的平板強度及換熱管拉脫力，但此法按標準要求，存在諸多局限；②有限元應力分析法，通過建立合理的有限元分析計算模型，可以解決結構領域的復雜問題，克服單純采用數值計算方法導致的無法確定詳細邊界條件的難題，能較全面地反映撓性管板的真實情況。

本文以某臺廢熱回收器的撓性薄管板為例，應用ANSYS有限元分析軟件探索撓性管板分析設計的工程應用方法，并通過多次計算比對，為撓性管板設置了合理的拉撐桿方案；最后，對撓性管板在機械應力和熱應力共同作用下的安全性進行有限元應力分析評價。

1 基礎數據

設備基本參數見表1。

表1 設備基本參數

計算時要用到的材料彈性模量、許用應力、線膨脹系數、導熱系數等按JB4732-1995(2005年確認)[2]及GB/T 151-2014標準查取，此處不再羅列。

換熱過程：工藝氣從N1口進入經換熱管內從N2出，鍋爐給水從N3噴淋進入與換熱管換熱產生蒸汽從N4口出。其結構參數見圖1。

2 有限元模型

根據本設備的結構特點，利用結構和載荷的對稱性，取管板圓周的1/2，殼體長度的1/2，即建立包含殼體、管板和換熱管的三維實體有限元模型。為便于建模和求解，對有限元模型進行了少量簡化處理：① 忽略換熱管伸出管箱端面的長度，認為換熱管與管板緊密貼合，且不考慮二者的接觸問題；② 忽略焊縫、結構和流體自身重力、管箱和殼體工藝開孔等對應力分布的影響；③ 假設材料符合各向同性、線彈性及小變形規律，且認為焊縫材料與母材相同。結構的有限元模型見圖2。

圖1 設備結構參數

圖2 結構的三維有限元模型

3 傳熱分析

由于管板是左右各1塊，溫度邊界不同(左右管板介質溫度情況示意見圖3)，經比較發現，由于 N1側管板的高溫接觸面使用了耐熱材料，所以高溫對管板影響很小；比較而言N2側管板溫度高且溫差大，所以模型計算中按N2側的邊界條件進行。(此處忽略簡易的傳熱比較計算)換熱管的溫度邊界為管內工藝氣邊界(平均溫度Tm及傳熱系數αh)，管外鍋爐水蒸汽邊界(平均溫度tm及傳熱系數αc)，忽略了換熱管的軸向溫度梯度，但總體熱效應并未改變；殼程筒體溫度邊界為內部鍋爐水蒸汽邊界(平均溫度tm及傳熱系數αc)，外部為絕熱(有良好保溫，不受外部環境影響)。管板溫度分布按圖3中N2側相應參數輸入ANSYS軟件中,采用熱分析Solid70單元進行溫度場模擬計算，得出圖4所示的溫度分布圖。(本文溫度邊界為工程應用的近似處理方法，較為精確的溫度邊界條件可采用CFD流體分析的方法而求得)。

圖3 管板的溫度情況及參數示意

圖4 結構的溫度場分布

從圖4可以看出，由于撓性管板薄，且工藝氣傳熱系數遠小于鍋爐水的傳熱系數，因此管板上的溫度梯度并不大，且更接近于水側；非布管區及殼側筒體因為只和鍋爐水接觸且外部有良好保溫，所以長期穩定運行時，其壁溫基本等于水側介質溫度。上述溫度場分布結果完全符合實際情況。

4 應力分析

按GB/T 151-2014的工況組合，換熱器應計算6種工況。本文計算了4種較為危險的操作工況，見表2。

表2 計算工況

所有載荷工況的約束條件均是：在模型的YZ面及換熱管、筒體端面(模型為1/2)施加對稱約束。將模型按各工況邊界條件加載，運用 ANSYS求解器求解，4種工況計算后的局部區域應力強度分布云圖見圖5。從云圖可知，非布管區應力已經達到504.8MPa，且出現較大變形，因此現有設計不合理，應在非布管區增加拉撐桿以增強非布管區的承壓能力。(此時布管區的應力分布已無意義，所以圖5中未顯示)

圖5 4種工況的應力分布云圖

5 帶拉撐桿撓性管板的應力分析

從上述分析結果可知，必須為撓性管板增加拉撐桿結構，拉撐桿部分使用線模型Beam188單元的圓柱形截面模擬實體拉撐桿，拉撐桿端面與管板面按MPC技術進行綁定，其余部分同上節。加拉撐桿后的分析模型見圖6。

圖6 帶拉撐桿結構的三維有限元模型

傳熱分析和應力分析采用和第3節、第4節的相同方法進行，此處不再贅述。計算后的綜合應力分布云圖見圖7。

工況1中，應力較大的區域主要集中在管板非布管區、上部拉撐桿以及管板邊緣與殼體連接處，管板的最大應力值出現在上部拉撐桿之間的空白區域,拉撐桿的最大應力值出現在上部拉撐桿第一排的第一根位置,換熱管較大應力區主要是最邊緣的換熱管；工況2中分布情況和工況1基本相同；工況3中，最大應力值出現在某一邊緣換熱管與管板連接處，整個結構中，應力較大的區域主要集中在拉撐桿和換熱管中間的空白區且靠近換熱管，非布管區中較大應力主要還是發生在拉撐桿范圍內；工況4中，較大應力主要集中在布管區內，因為當壓力很小時，溫差應力會占主導，所以體現出與工況3不同的分布。

圖7 4種工況的拉撐撓性管板結構的應力分布云圖

6 應力評定

6.1 對管板的評價

為了對結構各部位的應力狀況作出評價，需對以下路徑作出應力評定：①路徑1：管板上布管區最大點處沿管板厚度方向；②路徑2：管板上非布管區拉撐桿處沿管板厚度方向；③路徑3：管板邊緣加厚處沿厚度方向；④路徑4：筒體與管板端部連接處沿筒體厚度方向。評定結果見表3。

評價結果表明，整個管板(包括與殼體的連接處)均滿足強度要求。

6.2 對換熱管拉脫力及壓應力的評價

需要評定的力有：①工況1，工況2下的換熱管、拉撐桿與管板連接的拉脫力；②工況3，工況4下的換熱管及拉撐桿的壓應力。提取ANSYS軟件中換熱管和拉撐桿的最大軸向力Fz(N)列于表4。然后按GB/T151-2014中相關公式計算拉脫力、軸向力及評定標準,詳見表5、表6。

評價結果表明，換熱管與管板接頭、拉撐桿與管板接頭以及換熱管和拉撐桿自身均滿足強度要求。

表3 按路徑各工況的評定結果

表4 各工況最大軸向力(正為拉，負為壓) (N)

表5 各工況拉脫力 (MPa)

表6 各工況各截面軸向力(正為拉，負為壓)(MPa)

7 結語

對于常規的中心布管的管板，常規設計和分析設計方法均對其有比較深入的研究。但因為偏心布管并不符合GB151計算模型，應力分布總體也不符合中心對稱的規律，會造成管板一側應力比另一側大的多的情況，所以本文對其進行了探討，掌握了其應力分布規律，為拉撐桿的設置提供了依據。

常規計算中，機械應力和熱應力計算是通過理論分析和經驗總結各自單獨考慮，然后對應力進行加減。這種方法對于有較明顯變形規律或者較大變形的區域是可以適用的，但是對于連接區、邊角區域等薄弱區域并不完全適用。所以本文研究了在機械應力和熱應力共同作用下及單獨作用下，各區域的應力情況。結果證明，合理的設計能有效降低溫差，能完全避免溫差應力對結構的破壞。

對于偏心布管撓性管板的空白區域，由于管板較薄，雖然能有效克服溫差應力，但是承受壓力的能力卻比較弱，所以需要用拉撐桿固定。本文通過反復計算，最終確定了合理的拉撐桿布置方案，使薄管板擁有了耐高壓的能力；也證明了薄管板上拉撐桿的布置對管板、換熱管乃至整個設備的安全起到決定性的作用，因此在設計中應充分重視拉撐桿的布置方案。

最終，對各區域的應力進行了評價，證明設置拉撐的方案滿足相應標準和規范的要求，保證了設備在使用中的安全運行。