繞管式熱交換器管板與封頭連接結構的對比分析和優化設計

馬忠明, 張明慧

(聊城市魯西化工工程設計有限責任公司 山東聊城 252000)

根據管板結構的不同,繞管式熱交換器可以分為整體管板和分體管板(或稱側向管板)。 分體管板結構的殼體與管板通常采用插入式結構或嵌入式結構,該結構的受力狀態既不同于單純的管板,也不同于單純的開孔殼體,而是在滿足管板自身承載要求的前提下同時滿足殼體開孔補強的要求,現有的標準規范尚無該結構的解析計算方法,工程中多采用有限元應力分析法[1]。

本文對行業標準《繞管式熱交換器》(NB/T 10938—2022)的制定背景、適用范圍和特點進行了介紹,結合實例分別給出相同工況下,管板與封頭的兩種連接結構的計算結果,進行必要的對比分析后,對原始結構進行了優化設計,最終的優化結論可為同類結構的工程設計提供理論參考[2]。

1 NB/T 10938—2022 簡介

1.1 標準產生的背景

NB/T 10938—2022 是在繞管式熱交換器設計、制造及投用數量不斷增加,且不斷向大型化、高參數化發展的大前提下,充分總結繞管式熱交換器在空分、低溫甲醇洗、天然氣液化、石油加氫等領域的使用業績及工程經驗的基礎上[3-4],由國內知名設計院、高校、制造企業及科研單位共同編制的一部涉及繞管式熱交換器的設計、制造等各個環節的專用標準。

1.2 標準的適用范圍

該標準限定設計壓力不大于10 MPa,承壓元件材質限于奧氏體不銹鋼,使用溫度限制同國家標準《壓力容器 第2 部分:材料》 (GB/T 150.2—2011)[5],不適用于介質易結垢、結焦、沉淀等存在堵塞及應力腐蝕風險的場合。

1.3 標準的特點

1.3.1 布管型式

在換熱管的布管型式中,針對由于中心筒的存在而無法滿布管的小管板,在國家標準《熱交換器》(GB/T 151—2014)現有布管型式的基礎上,新增了沿圓周均布排列的布管型式[6]。

1.3.2 結構形式

根據管板的結構特點,標準將繞管式熱交換器分為整體管板和分體管板兩種類型,整體管板又分為整體單股流管板和整體多股流管板,不同類型各有優點和缺陷,工程中應根據實際需求選擇合適的類型。

1.3.3 換熱管及繞管工藝

對于換熱管的檢驗方法,標準中明確規定水壓試驗或水下氣密性試驗均可采用;對于繞管工藝,為從本質上保證換熱管變形平穩、材質性能穩定,規定其變形率不超過10%,并給出了變形率的經驗計算公式。

1.3.4 制造加工要求

該標準的另一特點是消除了業內在部件制造、加工或設備整體組裝允差方面的分歧,明確規定了管板和管孔直徑及允差要求、中心筒的制造加工要求,提供了包扎筒的參考制作工藝及支撐結構的布置要求。

1.3.5 管板計算

由于換熱管對管板的支撐作用介于固定管板和U 形管換熱器之間,標準頒布前,對于整體管板的計算,業內一般按U 形管換熱器管板的強度計算方法進行計算[7]。 但對于分體管板結構,管板直接與殼體連接,其承載形式與U 形管換熱器管板相去甚遠,僅采用常規方法是不能保證結構承載安全的,此時必須對管板結構進行應力分析。

另外,為了便于設計者執行,對于管板的局部應力分析,該標準在國內率先應用了第四強度理論(即米塞斯屈服準則),并以資料性附錄的形式明確規定了載荷工況組合、應力性質、線性化路徑和應力評定許用值的確定原則,統一了基本設計理念。

2 設計參數及主體結構

2.1 設計參數

某裝置中一級預冷卻器采用了多股流繞管式換熱結構,設備主體設計參數及其他與設計相關的地質勘查基礎數據見表1(僅為多股流主管程的設計參數及計算結果)。

表1 一級預冷卻器主體設計參數

2.2 主體結構

設備主體采用鋼結構支撐于混凝土框架之上,設備本體采用耳式支座支撐,8 個圓周均布,總體外形尺寸及局部結構放大見圖1。

圖1 一級預冷卻器主體結構示意

3 結構類型及分析

3.1 管板與封頭連接結構

關于管板與殼體的連接結構,綜合承載能力、制造加工和檢驗驗收等方面的技術要求,在NB/T 10938—2022 的附錄中給出了插入式和嵌入式兩種參考結構。 插入式和嵌入式管板與殼體連接結構見圖2。

圖2 管板與殼體連接結構[2]

3.2 結構分析

從殼體開孔補強的角度分析,插入式結構插入殼體內部和留在殼體外部的部分均可起到補強作用,可以使金屬材料得到充分利用,承載能力比嵌入式結構更強。

但插入式結構同時伴生了其他問題:首先是插入部分與殼體形成了360°承壓夾角,由此形成的結構不連續在內壓作用下產生了明顯的應力集中,應力集中區域與焊縫重疊,處于高應力狀態下,長期運行容易在焊縫表面產生裂紋,危及設備的本質安全;另一方面,管板插入殼體部分的環面,在殼程內壓作用下產生以焊接點為中心的附加彎矩,該彎矩會加劇連接區的應力集中效應,同時使管板中心特別是孔橋的彎曲應力增大,使管板所需截面厚度增加,造成管板材料浪費。

以上是通過定性分析,從承載和受力分析的角度,對兩種結構可能出現的應力狀態進行的初步判定。 以下采用有限元應力分析方法,將具體的應力計算結果進行對比驗證。

4 應力分析

4.1 模型構建及網格劃分

4.1.1 模型構建

采用常規設計計算方法,確定初始管板厚度為370 mm,材質為S30403Ⅲ,插入式結構管板伸入殼體的深度為195 mm,嵌入式結構管板下表面與殼體內壁平齊。 為便于計算結果的對比,插入式與嵌入式結構采用相同的初始管板厚度。

結合分體管板的結構特點,對有限元模型進行適當簡化: ①鑒于計算結構的對稱性,計算模型沿殼體圓周方向取其1/4; ②不考慮換熱管外壁與管孔內壁間的空隙及二者的接觸摩擦。

基于以上假設的前提條件,采用插入式結構和嵌入式結構分別建立一級預冷卻器管板與封頭連接結構的三維模型,計算模型見圖3。

圖3 計算模型

4.1.2 網格劃分

采用SOLID186 實體單元進行網格劃分,插入式結構和嵌入式結構的網格劃分見圖4。 插入式結構網格數量為171 264,節點數為858 231;嵌入式結構網格數量為171 664,節點數為860 330。

圖4 網格劃分

4.2 邊界條件

殼程筒體下部橫向剖分面限定軸向(坐標軸中的Y方向)位移為0,縱向剖分面施加無摩擦約束(即經典操作環境中的對稱約束),殼程和管程分別給定對應工況下的設計壓力,換熱管端面不加約束,不考慮管束重力及溫差產生的應力。

4.3 工況分析及求解計算

根據NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應力分析”的要求,需要計算3 種工況,分別為殼程壓力單獨作用、管程壓力單獨作用和管殼程壓力同時作用。 經試算,該設備起決定作用的工況為殼程壓力單獨作用,文中僅展示該工況的計算結果。

兩種結構殼程壓力單獨作用下的總體應力分布云圖見圖5。 從圖5 可以看出,在殼程內壓作用下,兩種結構的最大應力均位于管板與殼體相貫處,最大值分別為319.24 MPa 和239.23 MPa。

圖5 總體應力分布云圖

4.4 應力強度評定

根據NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應力分析”中的應力分類和應力評定要求,選取的應力線性化路徑的位置及各應力線性化路徑的應力計算結果見表2,管板及管板與殼體連接處的應力計算結果均滿足標準規定的應力限定要求。

表2 應力評定位置及結果

4.5 計算結果的對比分析

從圖5 可以看出:插入式結構出現了較為明顯的應力集中效應;與插入式結構相比,嵌入式結構承載截面的連續性有所提高,應力集中效應得以緩解,管板與殼體連接位置的應力最大值由319.24 MPa 降至239.23 MPa。

從表2 可以看出:在主體承載截面尺寸相同的前提下,兩種結構的應力計算結果均滿足NB/T 10938—2022 中的限定要求;對于兩種結構,布管區應力最高的孔橋對管板厚度起決定作用;相對于插入式結構,嵌入式結構的管板中心和布管區的薄膜應力略有升高,而薄膜+彎曲應力大幅降低。

插入式結構布管區應力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應力為190.19 MPa,相對于205.5 MPa 的許用值裕量很小;嵌入式結構布管區應力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應力為80.340 MPa,尚有非常大的承載空間。

5 管板及管板與殼體連接區的優化設計

基于兩種承載結構的有限元應力分析結果,采用嵌入式結構對初始設計方案進行結構優化,管板厚度由原來的370 mm 減至270 mm,優化前后的總體應力分布云圖見圖6。

圖6 管板厚度優化前后的總體應力分布云圖

管板厚度減薄后,對管板布管區應力最高的孔橋進行應力線性化,薄膜+彎曲應力的最大值為177.91 MPa,其許用值為205.5 MPa,仍然滿足NB/T 10938—2022 中對管板強度的限定要求。管板厚度減薄后,設備上下兩塊管板的質量減少約4 t,可節約金屬原材料及管板深孔鉆等機加工費用約16 萬元;同時在不改變設備使用要求的前提下,實現了設備的輕量化設計。

6 結語

(1)分體管板的兩種連接形式,雖然插入式結構制造加工簡單,但在管板厚度相同的前提下,嵌入式結構的承載能力優于插入式結構;在主體結構不變的前提下,嵌入式結構的管板可以設計得更薄,可降低管板鉆孔難度并減少制造加工費用。

(2)在殼程內壓作用下,插入式結構和嵌入式結構的應力最大值均位于管板與殼體相貫處。插入式結構由于高應力區與焊縫重疊,在殼程壓力較大時,焊縫開裂的風險增大。 而嵌入式結構由于凸肩結構的存在,可以避免高應力區與焊縫的重疊,降低了高應力焊縫產生表面裂紋的風險。

(3)管板與殼體的結構不連續性和局部應力集中越發明顯,高應力運行開裂的風險也隨之增大,建議標準在后續的修訂中對插入式結構開孔率的適用范圍加以限定。

本文給出了插入式結構和嵌入式結構計算結果的對比分析,但未對插入式結構插入殼體的高度對管板及連接區域應力分布的影響進行更為詳細的分析。 在后續的研究中,可就此開展工作,用具體的數據展示應力的變化規律,為兩種結構的選用提供更為科學可靠的依據。