帶中心調節管全廢鍋熱交換器撓性管板分析設計

程兆龍，李欣銅，伊志奇，張 芳

（航天長征化學工程股份有限公司，北京 100746）

帶有撓性管板的廢熱鍋爐熱交換器是石油化工裝置中常見的換熱設備，主要用于高溫氣體的熱量回收，通過高溫氣體加熱鍋爐水產出高品質蒸汽。工作時高溫氣體走管程，鍋爐水走殼程，工作狀態一般是殼程壓力高、管程壓力低、管程溫度高、殼程溫度低。帶有撓性管板的熱交換器應力分布復雜，許多學者都對其進行了研究。葉增榮［1］研究了管板厚度對撓性管板溫度和應力強度分布的影響。張賢福［2］采用分析設計方法對高壓撓性管板進行了計算校核，結果表明在管板布管區及布管區外常規計算方法是適用的，但撓性管板轉角處需采用分析設計的計算方法。邵虎躍等［3］采用有限元分析方法對甲醇合成塔撓性管板過渡圓角處的結構進行了設計優化，優化后的撓性管板結構顯著降低了過渡圓角處的應力強度并提高了換熱管的抗壓穩定性。黃毓秀等［4］對剛性管板與撓性管板進行了數值計算，通過比較管板的應力強度分布發現，撓性管板的應力強度分布更加均勻且具有更優的工程經濟性。徐君臣等［5］采用有限元分析方法對管板在不同工況下的應力強度進行了分析計算，計算結果表明，管板邊緣處的應力強度較大，從管板邊緣到布管中心區應力強度呈波動衰減的趨勢。張型波等［6］提出了一種應用在立式蒸發器上的反向撓性管板結構，計算結果表明采用分析設計計算方法是能夠保證蒸發器管板的設計安全性的。王建軍等［7］等為確保異型撓性管板的安全性，采用有限元方法對異型管板進行了分析計算和管板名義厚度的優化，結果表明有限元計算方法能夠實現異型管板的輕量化。趙毅等［8］采用有限元分析方法對帶有撓性管板的廢熱回收器進行了分析計算，計算結果表明偏心布管方式會導致管板受力不均，通過采用設置拉桿的方法能夠顯著改善管板的受力情況。沈潔等［9］采用分析設計方法對撓性管板過渡段處的彎曲半徑進行了對比分析，從而優化了撓性管板的應力強度分布。馬斕擎等［10］對高溫、高壓操作條件下的撓性管板和剛性管板進行了分析計算，計算結果表明撓性管板的受力情況和工程經濟性均優于剛性管板。

本文以某化工裝置中的過程氣冷卻用中心調節管式釜式全廢鍋撓性管板熱交換器（以下簡稱過程氣冷卻器）為例，對其撓性管板在溫度和壓力耦合作用下的應力強度進行了分析計算。該過程氣冷卻器的結構型式為釜式外殼套連撓性管板及中心調節管。本文中的撓性管板結構特殊［11-12］，其折彎形狀不僅容易產生局部應力集中情況，而且板材厚度比較薄，超出了GB/T 151—2014《熱交換器》［13］、SH/T 3158—2009 《石油化工管殼式余熱鍋爐》［14］、GB/T 1650—2013 《鍋殼鍋爐》［15］等標準適用的設計計算范圍，有必要采用分析設計的方法進行全面的應力分析和優化，以評定管板的安全性。

1 過程氣冷卻器設計條件

1.1 設備特點及參數

某化工生產裝置過程氣冷卻器結構示意圖見圖1。其殼程設設計溫度為180 ℃，設計壓力為0.6 MPa，入口/ 出口操作溫度為104/151 ℃，介質為水蒸氣，主體材質Q345R，腐蝕裕量2.0 mm，對流傳熱系數為0.005 W/（mm2·℃）；管程設計溫度300 ℃，設計壓力0.1 MPa，入口/ 出口操作溫度1 285/250 ℃，介質為過程氣，主體材質Q345R/20，腐蝕裕量2.0 mm，對流傳熱系數57.22×10-6W/（mm2·℃）。

圖1 過程氣冷卻器結構示圖

1.2 換熱管特點

過程氣冷卻器中換熱管采用1 176 根直徑40 mm 和8 054 根直徑32 mm 的2 種換熱管脹接焊接而成（圖2），此結構超出了現有相關標準的設計范疇。為了保證熱交換器的安全運行，采用分析設計方法對過程氣冷卻器進行了全尺寸的傳熱分析，并在傳熱分析的基礎上對其管板進行應力強度評定。

圖2 過程氣冷卻器換熱管結構模型

過程氣冷卻器撓性管板應力分析涉及的主要零部件包括殼程圓筒、膨脹節、熱端管板、冷端管板、前管箱、后管箱、換熱管和中心管。這些零部件材料的泊松比均為0.3，其他設計參數和性能參數見表1。

表1 過程冷卻器主要零部件尺寸、設計條件及材料參數

1.3 材料熱參數

過程氣冷卻器管程入口溫度高達1 285 ℃，在這樣的高溫工況下，幾乎所有的金屬材料都會發生蠕變破壞，因此，在管程入口處設置耐火襯里以確保管程殼體能夠始終在金屬允許的設計壁溫下工作。

過程氣冷卻器中耐火襯里、陶瓷套管和陶瓷纖維紙材料的導熱系數均隨溫度變化很小，忽略其影響，應力分析過程中依次取0.72×10-3、5.5×10-3、0.15×10-3W/（mm·℃）。Q345R 和20鋼料在100～400 ℃的導熱系數見表2。耐火襯里、陶瓷套管和陶瓷纖維紙材料在高溫下的熱膨脹很小，應力分析過程中忽略不計。Q345R 和20鋼0～400 ℃的熱膨脹影響用平均線膨脹系數（某溫度下線膨脹系數與20 ℃下線膨脹系數的算術評價值）表征，其值見表2。

表2 Q345R 和20 鋼的導熱系數和平均線膨脹系數

2 過程氣冷卻器撓性管板建模分析及應力強度線性化路徑

2.1 模型及分析方法

基于設備結構的對稱性，針對撓性管板應力分析，對過程氣冷卻器進行簡化，得到去除腐蝕裕量，包括前后管箱、耐火襯里、陶瓷套管、殼程筒體、管板、換熱管、中心管的設備軸對稱模型，對模型進行網格劃分，傳熱分析采用SOLID90 單元，靜力學分析采用SOLID185 單元。得到的網格模型見圖3。模型共包含1 113 420 個網格單元和1 888 569 個節點。

圖3 過程氣冷卻器撓性管板應力分析簡化網格模型

2.2 線性化路徑設置

針對撓性管板，在換熱管布管區內孔橋處、中心管與管束孔橋處、換熱管與管板連接處、布管區邊緣處、撓性過渡區設置相應的應力強度線性化路徑A-A、B-B、C-C、D-D、E-E，見圖4。

圖4 撓性管板應力分析線性化路線設置

3 過程氣冷卻器撓性管板傳熱工況分析及溫度場計算

3.1 工況設定

過程氣冷卻器總體結構仍屬于固定管板式熱交換器，設計條件已經明確其管程和殼程均不存在負壓工況，分析設計計算因此簡化為工況1～工況4 的4 種正壓工況，即殼程正壓（不計算熱應力）、殼程正壓+ 計算熱應力、管程正壓（不計算熱應力）以及管程正壓+ 計算熱應力。

3.2 邊界條件

工況2 和工況4 下應力分析涉及的6 個方面的傳熱邊界條件包括，①在殼程圓筒內表面、管板殼程側表面、換熱管和中心管外表面加載溫度180 ℃和殼程對流傳熱系數。②在前管箱耐火襯里表面和陶瓷套管內表面加載溫度1 285 ℃和管程對流換傳系數。③在后管箱內表面和管板傳熱管孔內表面，加載溫度250 ℃和管程對流傳熱系數。④在換熱管內表面(不含陶瓷套管遮擋部分及插入后管板的部分)，加載線變溫度（線變溫度1 285～250 ℃）和管程對流傳熱系數。⑤考慮冷端調節閥完全封閉不能打開的情況，在中心管內壁施加1 285 ℃和阻滯對流傳熱系數。⑥整臺設備外表面加載22 ℃的環境溫度和阻滯對流傳熱系數。加載傳熱邊界條件后的撓性管板分析模型見圖5。

圖5 加載傳熱邊界條件后的撓性管板分析模型

3.3 溫度場分析

3.3.1 整體溫度

傳熱分析計算得到的撓性管板溫度分布云圖見圖6。

圖6 撓性管板應力分析溫度分布云圖

由圖6 可以知道，高溫過程氣從管程入口以1 285 ℃進入管程，與處于飽和態的180 ℃殼程流體進行對流換熱，使溫度最終降至250 ℃，而中心管尾部由于全部關閉，出現了局部超溫。

3.3.2 管板溫度

從溫度場計算結果中提取到的過程氣冷卻器前、后管板溫度分布云圖見圖7。

圖7 撓性管板應力分析溫度分布云圖

由圖7 可知，熱端管板在耐火襯里、陶瓷套管和陶瓷纖維紙的保護下，最高溫度為185.05 ℃，滿足金屬的設計壁溫。冷端管板整體溫度分布均勻，保持在155 ℃，中心調節管與冷端管板連接處出現局部超溫，溫度達到186.77 ℃，這是中心調節管尾部完全封閉所致，但其影響范圍有限，冷端總體溫度滿足金屬的設計壁溫。

4 不同工況過程氣冷卻器撓性管板應力強度評定

4.1 工況1

工況1 為殼程正壓且不考慮傳熱影響的工況，此工下熱端管板應力分布云圖見圖8。

圖8 工況1 下熱端管板應力分布云圖

由圖8 可知，工況1 下熱端管板最大應力為35.177 MPa，此值小于材料的設計應力143 MPa，熱端管板是安全的，可以不做進一步的應力強度線性化評定。

4.2 工況2

工況2 為殼程正壓并考慮傳熱影響的工況，此工況下熱端管板的應力分布云圖見圖9。由圖9可知，工況2 下過程氣冷卻器熱端管板應力最大值189.84 MPa 超過材料的設計應力143 MPa，需進行進一步的應力強度線性化評定。

圖9 工況2 下熱端管板應力分布云圖

提取圖9 上各條線性化路徑的局部應力，依據JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行強度評定，結果見表3。

4.3 工況3

工況3 為管程正壓且不考慮傳熱影響的工況，此工況下熱端管板應力分布云圖見圖10。

圖10 工況3 下熱端管板應力分布云圖

由圖10 可知，工況3 下熱端管板最大應力為37.299 MPa，此值小于材料的設計應力143 MPa，由此判斷熱端管板是安全的，可以不做進一步的應力強度線性化評定。

4.4 工況4

工況4 為管程正壓并考慮傳熱影響的工況，此工況下熱端管板應力分布云圖見圖11。

圖11 工況4 下熱端管板應力分布云圖

由圖11 可知，熱端管板的應力最大值185.96 MPa 超過了材料的設計應力143 MPa，存在應力破壞風險，需進行進一步的應力強度線性化評定。

提取過程氣冷卻器熱端管板應力分布云圖上各條線性化路徑的局部應力，依據JB 4732—1995（2005年確認）對其進行應力強度評定，結果見表4。

表4 工況4 下熱端管板應力強度評定結果

5 結束語

某裝置過程氣冷卻器為釜式全廢鍋熱交換器，采用帶中心調節管、不等徑脹接換熱管和撓性薄管板設計，存在較多不連續結構，需要通過核算詳細應力狀態進行安全評定、設計合理性和有效性驗證。文中采用有限元方法進行了過程氣冷卻器的簡化建模、溫度場分析、靜力學場分析和應力強度評價。分析計算結果表明，耐火襯里、陶瓷套管和陶瓷纖維紙組合結構能夠對高溫工況下的金屬管板起到有效的防燙和保護作用。考慮傳熱影響工況下的管板應力強度遠高于不考慮傳熱影響的管板應力強度。殼程不斷有水補充且生成的水蒸氣能帶走大量熱量時，殼程溫度能始終維持在介質的飽和溫度區間。中心調節管完全失去作用而僅靠換熱管進行工作時，熱端管板會出現一個高溫的溫度環，而管板中心調節管位置以及布管區邊緣位置為低溫溫度區, 冷端管板的中心調節管區域會出現局部超溫。