發(fā)夾式換熱器管板瞬態(tài)熱分析

王 強(qiáng)，柯展煌，鄧 科，翟黎明，王 江，王炯銘，季敏東

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.國(guó)電泉州熱電有限公司，福建 泉州 362804)

0 引言

在太陽(yáng)能光熱、儲(chǔ)能、供熱等冷熱介質(zhì)溫差較大的場(chǎng)合，通常采用新型的發(fā)夾式換熱器[1]，此類換熱器的典型特征是管束和殼體均為U形結(jié)構(gòu)，熱膨脹時(shí)管側(cè)和殼側(cè)均可自由伸縮，自身具備良好的溫差補(bǔ)償效應(yīng)；熱端和冷端分別采用獨(dú)立的管板，管板受力情況得到改善；采用單殼程結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全逆流換熱，換熱效率高。特別適用于高溫、高壓、大溫差的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)了換熱器的深度換熱，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于機(jī)組頻繁啟停及快速變負(fù)荷等各種復(fù)雜瞬態(tài)工況，換熱器承受較大的熱沖擊，長(zhǎng)期承受各種瞬態(tài)交變載荷，當(dāng)波動(dòng)幅度超過(guò)疲勞極限時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。尤其是冷態(tài)啟停工況，溫升速率較快時(shí)，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)管板等關(guān)鍵部件產(chǎn)生強(qiáng)大的熱沖擊作用，使其局部產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，造成設(shè)備損傷。因此，研究發(fā)夾式換熱器的瞬態(tài)特性，掌握其熱應(yīng)力隨溫升速率變化規(guī)律及最大熱應(yīng)力所處的位置，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和用戶運(yùn)行提供指導(dǎo)，具有重要的意義。

目前，傳統(tǒng)U形管式換熱器[2]及固定管板式換熱器[3-5]的瞬態(tài)特性已有大量的研究，發(fā)夾式換熱器由于結(jié)構(gòu)新穎，其瞬態(tài)特性的研究極少。

1 研究對(duì)象

以某電廠供熱系統(tǒng)中發(fā)夾式換熱器為研究對(duì)象，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，殼側(cè)處于空置狀態(tài)，從管側(cè)進(jìn)行預(yù)暖。采用ANSYS有限元軟件對(duì)發(fā)夾式換熱器管板進(jìn)行瞬態(tài)熱固耦合分析。先對(duì)管板進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，獲取管板在各工況下的溫度場(chǎng)，再將溫度場(chǎng)作為體載荷導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)耦合計(jì)算結(jié)果，了解熱應(yīng)力隨溫升速率的變化規(guī)律及熱應(yīng)力最大值所在位置，并進(jìn)行疲勞壽命分析。

2 有限元模型及分析工況

2.1 換熱器幾何結(jié)構(gòu)

某電廠供熱系統(tǒng)中的發(fā)夾式換熱器(見(jiàn)圖1)，為單管程、單殼程結(jié)構(gòu)，管板與管側(cè)封頭及殼側(cè)筒身采用整體焊接形式。該換熱器包括熱端管板和冷端管板2塊管板，具體參數(shù)如表1所示。管板與換熱管采用焊接加脹接的連接方式。

圖1 發(fā)夾式換熱器外形圖

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 有限元分析模型

為減少計(jì)算工作量，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：忽略開(kāi)孔接管的影響；由于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，管側(cè)初始階段蒸汽壓力較低，忽略壓力波動(dòng)帶來(lái)的影響，將管側(cè)和殼側(cè)壓力均視為常壓；選取管板厚度最大的熱端管板進(jìn)行建模分析；管板具有對(duì)稱性，取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行建模，對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，以管板厚度方向作為軸向，在堆焊層面層施加軸線約束，筒身長(zhǎng)度為600 mm，大于邊緣效應(yīng)值。模型(見(jiàn)圖2)采用20節(jié)點(diǎn)高階六面體單元Solid186和10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元Solid187進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)368 914個(gè)單元，932 865個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 有限元分析模型

2.3 分析工況

為充分研究該發(fā)夾式換熱器管板的抗熱沖擊能力，結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行情況，選取四組典型瞬態(tài)工況進(jìn)行分析。四組工況中，溫升速率依次增大，分別為3℃/min，10℃/min，20℃/min，40℃/min，初始溫度均為25℃，總溫升120℃，由于溫升速率不同，升溫時(shí)間不同，其中工況一用時(shí)最長(zhǎng)，需要2 400 s，工況四用時(shí)最短，僅需180 s。四組分析工況具體參數(shù)如表2所示。

表2 各工況參數(shù)

3 分析結(jié)果

3.1 管板溫度場(chǎng)

在瞬態(tài)熱分析模塊中，對(duì)上述工況進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，獲取各工況管板溫度場(chǎng)。如圖3所示，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：工況一管板溫度分布最均勻，工況四最不均勻，溫升速率越快，管板不布管區(qū)沿厚度方向溫度梯度越大，分布越不均勻；除工況一外，其余工況管側(cè)半球形封頭內(nèi)壁薄層均出現(xiàn) “表皮熱效應(yīng)”，且溫升速率越快，“表皮熱效應(yīng)”越明顯，封頭壁厚方向溫度梯度越大；管板布管區(qū)由于吸熱較為均勻，溫差較小。

圖3 不同工況溫度場(chǎng)

3.2 管板應(yīng)力分布

根據(jù)上述瞬態(tài)溫度場(chǎng)，將其作為體載荷導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行耦合計(jì)算，得到的分析結(jié)果如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：所有工況中，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在不布管區(qū)的管板堆焊層中，且隨溫升速率加快而迅速增大；管板與半球形封頭連接的轉(zhuǎn)角處，管板與殼側(cè)筒身連接的凹槽處，也出現(xiàn)了較高的應(yīng)力，且隨溫升速率加快而增大。各工況最大應(yīng)力值如表3所示。

圖4 不同工況應(yīng)力分布

表3 各工況最大應(yīng)力值

3.3 布管區(qū)分析

該發(fā)夾式換熱器采用正三角形排列布管，根據(jù)其布管對(duì)稱型，布管區(qū)采用簡(jiǎn)化分析模型，網(wǎng)格整體加密，堆焊層及封口焊位置網(wǎng)格進(jìn)一步加密，提高計(jì)算精度，模型四周設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，堆焊層面層進(jìn)行軸向限位約束，換熱管與堆焊層焊接部分設(shè)置為綁定接觸，脹接部分設(shè)置為摩擦接觸，并采用修正摩擦接觸系數(shù)，其余部分設(shè)置為無(wú)摩擦接觸。

在瞬態(tài)熱分析模塊中，對(duì)上述工況進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，獲取各工況溫度場(chǎng)，管板布管區(qū)由于吸熱較為均勻，溫差較小，如溫升速率最慢的工況一，溫差僅有0.13℃左右，溫升速率最快的工況四，溫差僅0.84℃左右，如圖5所示。

圖5 不同工況管口連接位置溫度場(chǎng)

根據(jù)上述瞬態(tài)溫度場(chǎng)，將其作為體載荷導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行耦合計(jì)算，得到各瞬態(tài)熱應(yīng)力，從中可以發(fā)現(xiàn)，在封口焊位置管內(nèi)壁薄層小范圍內(nèi)出現(xiàn)了很高的峰值應(yīng)力。此外，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，四種工況最大應(yīng)力值相差較小，最大為739.28 MPa，最小為718.37 MPa，如圖6所示。

圖6 各工況封口焊位置應(yīng)力分布

4 疲勞分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同溫升速率工況下，管板應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在管板不布管區(qū)堆焊層，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，復(fù)合鋼板中因復(fù)層與基體金屬膨脹系數(shù)不同而在復(fù)層中引起的熱應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)力的特征是同時(shí)具有自限性與局部性，它不會(huì)引起明顯的變形。其危害性在于可能導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性斷裂。

在循環(huán)加載條件下，當(dāng)波動(dòng)幅度超過(guò)疲勞極限時(shí)，設(shè)備的疲勞使用壽命取決于交變應(yīng)力的幅度，波動(dòng)幅度越大，設(shè)備使用壽命越短。根據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄C 規(guī)定：

Salt=0.5sr

(1)

修正后的值為：

(2)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，工況一、工況二、工況三、工況四修正后的交變應(yīng)力幅值分別為457 MPa、538 MPa、621 MPa、711 MPa。查詢材料設(shè)計(jì)疲勞曲線，上述交變應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的疲勞使用壽命次數(shù)分別為2 500次、1 300次、900次、 440次。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制和擬合的疲勞壽命曲線如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫升速率不斷增加，設(shè)備疲勞使用壽命次數(shù)將急劇減少。

圖7 疲勞壽命曲線

上述分析僅考慮了熱應(yīng)力帶來(lái)的影響，未考慮壓力波動(dòng)等其余復(fù)雜因素，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，工作條件更為苛刻。

5 結(jié)論

1)熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管板不布管區(qū)堆焊層中，此處是整個(gè)管板最危險(xiǎn)的位置。

2)在發(fā)夾式換熱器設(shè)計(jì)階段，管板不布管區(qū)域建議不進(jìn)行堆焊處理，或者縮小堆焊范圍，可有效降低熱應(yīng)力。

3)溫升速率對(duì)設(shè)備的疲勞使用壽命影響較大，溫升越快，使用壽命越短。

4)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，建議用戶嚴(yán)格按照操作手冊(cè)的要求，控制啟動(dòng)過(guò)程中溫升速率不大于3℃/min，停運(yùn)過(guò)程中溫降速率不大于2℃/min，同時(shí)應(yīng)盡可能減少冷態(tài)啟停次數(shù)。