浮頭換熱器管板熱應(yīng)力分析

許 蕾，錢才富，劉久逸，劉志勝

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029;2.山東美陵化工設(shè)備股份有限公司，山東 淄博 255430)

0 引言

循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器是煉油廠催化裂化分餾系統(tǒng)中的重要換熱設(shè)備，為浮頭式換熱器，但它在使用過(guò)程中，往往在較短的時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)管板開(kāi)裂等問(wèn)題。該設(shè)備在操作工況下受到管程壓力、殼程壓力和溫度場(chǎng)的共同作用，學(xué)者們從應(yīng)力腐蝕和疲勞、管板溫差、管束振動(dòng)等不同的角度分析了管板開(kāi)裂的原因［1－9］，但目前仍未得出工程界一致認(rèn)可的結(jié)論。不過(guò)既然是開(kāi)裂，應(yīng)力(尤其是拉應(yīng)力)肯定是驅(qū)動(dòng)力之一［10］，然而管板設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了壓力載荷引起的應(yīng)力，似乎已有強(qiáng)度保證;另一方面，對(duì)于浮頭式換熱器，由于浮頭端管板與殼體不相連，一般浮頭換熱器管板設(shè)計(jì)不考慮溫差應(yīng)力作用，但是，浮頭換熱器管板兩側(cè)分別接觸冷熱介質(zhì)，而且對(duì)于多管程，即使同一側(cè)，不同區(qū)域溫度也不一樣，因此，管板上必然存在溫差(或熱)應(yīng)力，這種應(yīng)力的大小和分布是怎樣的，和哪些因素有關(guān)，這些問(wèn)題并沒(méi)有受到足夠的關(guān)注。文中以某循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器為例，采用有限元方法對(duì)其管板進(jìn)行應(yīng)力分析，并著重研究熱應(yīng)力大小和影響因素。

1 有限元分析模型的建立

1.1 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器幾何結(jié)構(gòu)

某循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。該蒸汽發(fā)生器為6管程浮頭式換熱器，管板的分程形式如圖1所示。

表1 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 6管程管板分程形式

1.2 參數(shù)化有限元分析模型建立

1.2.1 有限元網(wǎng)格模型

浮頭式換熱器包括很多部件，文中只對(duì)管板進(jìn)行分析，因此為了減小計(jì)算量，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化:

(1)所建立的有限元分析模型只包括固定管板、浮動(dòng)管板和管束，由于溫度場(chǎng)不具有對(duì)稱性，因此，固定管板、浮動(dòng)管板和管束均以整體結(jié)構(gòu)建模;

(2)未考慮管束伸出管板管程側(cè)的長(zhǎng)度(3 mm);

(3)管板上的拉桿孔換成換熱管孔;

(4)未建出與浮動(dòng)管板相連的浮頭法蘭，但將浮頭法蘭作用于浮動(dòng)管板的力等效到浮動(dòng)管板節(jié)點(diǎn)上;

(5)由于換熱管與管板采用脹焊連接方式，故認(rèn)為插入管板孔的換熱管和管板之間無(wú)相對(duì)變形。

由于涉及結(jié)構(gòu)分析和熱分析，故選用熱單元Solid 70和結(jié)構(gòu)單元Solid 185進(jìn)行網(wǎng)格劃分［11］。結(jié)構(gòu)整體有限元網(wǎng)格模型和局部有限元網(wǎng)格模型分別如圖2，3所示。

圖2 整體有限元網(wǎng)格模型

圖3 管板局部有限元網(wǎng)格模型

1.2.2 邊界條件

ANSYS有限元軟件提供了2種分析熱應(yīng)力的方法:直接法和間接法。文中采用間接法，即首先對(duì)該模型進(jìn)行熱分析得到溫度場(chǎng)分布，然后將求得的單元節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到模型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行應(yīng)力分析［12］。

對(duì)于浮頭式換熱器，由于浮頭端管板與殼體不相連，一般認(rèn)為浮頭換熱器中不存在熱應(yīng)力，在目前的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范中［13］，浮頭式換熱器管板的設(shè)計(jì)不考慮熱應(yīng)力的作用，然而，浮頭換熱器管板兩側(cè)分別接觸冷熱介質(zhì)，而且對(duì)于多管程，即使同一側(cè)，不同區(qū)域溫度也不同，因此管板上必然存在熱應(yīng)力。

要計(jì)算多管程浮頭式換熱器中的熱應(yīng)力，首先計(jì)算其溫度場(chǎng)分布，因此必須進(jìn)行精確的換熱器傳熱計(jì)算。文中根據(jù)油漿蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)參數(shù)以及工藝設(shè)計(jì)條件，采用HTRI軟件進(jìn)行傳熱計(jì)算。HTRI是美國(guó)傳熱研究協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的，基于試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)、模擬換熱器的計(jì)算軟件。文中所采用的HTRI Xchanger Suite涉及到了換熱器的設(shè)計(jì)以及核算，其計(jì)算方法基于美國(guó)傳熱研究協(xié)會(huì)40多年來(lái)收集到的工業(yè)級(jí)熱傳遞設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［14］，因此，該軟件在較大程度上可滿足工程的需求。

經(jīng)過(guò)HTRI的傳熱計(jì)算，可以得到流體的溫度分布以及對(duì)流傳熱系數(shù)。管程側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)為455 W/(m2·℃)，殼程側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)為4773 W/(m2·℃)。采用ANSYS中的傳熱計(jì)算得到管板兩側(cè)、沿管板厚度方向和換熱管內(nèi)外壁面溫度分布。圖4，5示出管板兩側(cè)壁面溫度分布云圖，由于殼程流體(水)從底部中間進(jìn)入換熱器，汽化后從上部引出，因此，在圖5中殼程下部溫度不斷變化，上部溫度為汽化溫度，保持不變，圖6示出沿管板厚度方向的溫度分布云圖(管板厚度170 mm)，圖7示出該設(shè)備的第一管程某管子計(jì)算結(jié)果。

圖4 固定管板管程側(cè)壁面溫度分布云圖

圖5 固定管板殼程側(cè)壁面溫度分布云圖

圖6 沿管板厚度方向的溫度分布云圖

圖7 第一管程換熱管內(nèi)外流體及內(nèi)外壁溫度分布

從圖7可以看出，除兩端插入管板中的換熱管外，換熱管內(nèi)外壁溫度稍有不同，而且由于殼程側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)大于管程側(cè)，管壁溫度更接近于殼程側(cè)流體溫度。

1.2.3 結(jié)構(gòu)分析邊界條件

固定管板周邊施加軸向及環(huán)向約束;浮動(dòng)管板周邊施加環(huán)向約束，并施加浮頭法蘭對(duì)浮動(dòng)管板的等效力。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 管板應(yīng)力分布

由于固定管板和浮動(dòng)管板的管板表面應(yīng)力分布形式基本一致，因此文中以固定管板為例給出計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行分析。分別研究了循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器在管板厚度分別為H1=90 mm，H2=130 mm，H3=170 mm，H4=210 mm，H5=250 mm，H6=290 mm時(shí)，在管程壓力、殼程壓力和溫度場(chǎng)作用下，固定管板管程側(cè)和殼程側(cè)的徑向和環(huán)向應(yīng)力分布。

圖8示出管程壓力作用下固定管板殼程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖，圖9示出殼程壓力作用下固定管板管程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖。在布管區(qū)范圍內(nèi)，徑向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在管板中央，符合橫向載荷作用下簡(jiǎn)支板的受力特點(diǎn)。壓力載荷作用下，管板中環(huán)向應(yīng)力也有相同的分布形式。

圖8 管程壓力作用下固定管板殼程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖

圖9 殼程壓力作用下固定管板管程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖

圖10，11示出在溫差載荷作用下固定管板兩側(cè)徑向應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)幾乎全是拉應(yīng)力，此應(yīng)力分布特點(diǎn)與單純平板受兩側(cè)溫差作用的結(jié)果不一樣，因?yàn)楣艹虃?cè)流體溫度比殼程側(cè)流體溫度高，若是單純平板應(yīng)該是管板殼程側(cè)為拉應(yīng)力，管程側(cè)為壓應(yīng)力，但是由于管板分成了幾個(gè)區(qū)域，特別是管板受到插入管板的換熱管內(nèi)流體溫度的作用，所以出現(xiàn)了管板管程側(cè)表面也多為拉應(yīng)力的現(xiàn)象。從圖中還可以看出，由于各管程側(cè)流體溫度不一樣，管板表面溫度分布也不均勻，管程側(cè)介質(zhì)溫度越高，該區(qū)域管板表面拉應(yīng)力越大。

圖10 溫差作用下固定管板管程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖

圖11 溫差作用下固定管板殼程側(cè)徑向應(yīng)力分布云圖

2.2 管板應(yīng)力隨管板厚度的變化

圖12，13分別示出3種載荷作用下管板徑向與環(huán)向應(yīng)力最大值隨管板厚度的變化?？梢钥闯?，在壓力載荷作用下，隨著管板厚度的增加，管板表面的最大拉應(yīng)力值減小;但在溫差作用下，隨著管板厚度的增加，拉應(yīng)力增大，特別是殼程側(cè)的拉應(yīng)力增大非常明顯。當(dāng)管板厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，溫差載荷引起的熱應(yīng)力會(huì)超過(guò)壓力引起的熱應(yīng)力，所以管板厚度并不是越大越好，且對(duì)于厚管板，盡管是浮頭換熱器，也需要考慮溫度載荷對(duì)管板的影響，文獻(xiàn)［15］中也得出過(guò)類似的結(jié)論。

圖12 3種載荷作用下管板徑向應(yīng)力最大值隨管板厚度的變化

圖13 3種載荷作用下管板環(huán)向應(yīng)力最大值隨管板厚度的變化

另外，計(jì)算表明，對(duì)于正常操作工況，管程和殼程壓力及溫差同時(shí)存在，管程和殼程壓力引起的應(yīng)力互相抵消一部分，結(jié)果是在管板兩表面的應(yīng)力主要是溫差應(yīng)力，由于篇幅關(guān)系，這部分內(nèi)容本文沒(méi)有寫(xiě)出。

3 結(jié)論

以某循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器為例，分析浮頭換熱器管板中的熱應(yīng)力，并考察了管板厚度的影響，得出如下結(jié)論:

(1)對(duì)于浮頭式換熱器，雖然浮頭端管板與殼體不相連，但由于浮頭換熱器管板兩側(cè)分別接觸冷、熱介質(zhì)，而且管程分區(qū)溫度也不一致，管板中仍存在熱應(yīng)力。

(2)對(duì)于浮頭換熱器管板，由于管板分成了幾個(gè)區(qū)域，同時(shí)管板沿厚度方向受管程流體溫度作用，管板內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜，與受兩側(cè)不同溫度作用的實(shí)心板中的應(yīng)力分布明顯不同。

(3)增加管板厚度，可以減小由管程壓力或者殼程壓力所引起的應(yīng)力，但會(huì)提高溫差所引起的熱應(yīng)力;對(duì)于厚管板，管板中由于溫差作用，所承受的拉應(yīng)力甚至大于管板因管程壓力或殼程壓力作用所承受的拉應(yīng)力。

(4)浮頭換熱器的管板設(shè)計(jì)若不考慮熱應(yīng)力的作用，在冷熱流體溫差大并且管板較厚的情況下，會(huì)產(chǎn)生不安全的結(jié)果。文中分析的循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器就是典型案例。

［1］ 丁建華.油漿蒸汽發(fā)生器管板開(kāi)裂原因與控制［J］.通用機(jī)械，2006(8):72－76.

［2］ 曾超，宋天民，張國(guó)福，等.油漿換熱器管板開(kāi)裂原因分析［J］.腐蝕與防護(hù)，2005，26(7):315 －317.

［3］ 王成茂，楊森林.催化裝置油漿換熱器管板失效原因分析及對(duì)策［J］.科技資訊，2012(27):108.

［4］ 袁黎明.油漿蒸汽發(fā)生器管板開(kāi)裂原因分析及防治措施［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2005，26(2):12 －15.

［5］ 劉志勝.油漿蒸汽發(fā)生器泄漏原因分析及改進(jìn)措施［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28(6):25 －26.

［6］ 林罡明.油漿蒸汽發(fā)生器管板開(kāi)裂原因分析及技術(shù)改造［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(7):1603 －1606.

［7］ 劉丙會(huì).油漿蒸汽發(fā)生器管板失效分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2007，28(1):57 －61.

［8］ 單利.油漿蒸汽發(fā)生器泄漏原因分析及預(yù)防措施［J］.機(jī)械工人(熱加工)，2007(3):54 －55.

［9］ 施永華.某換熱器不銹鋼管斷裂原因分析［J］.流體機(jī)械，2014，42(5):50 －52.

［10］ 許蕾，錢才富，劉志勝.循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器管板開(kāi)裂原因及改進(jìn)措施之文獻(xiàn)綜述［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2015，36(1):41 －45.

［11］ 曲曉銳，錢才富.多點(diǎn)約束(MPC)法與換熱器整體有限元分析［J］.壓力容器，2013，30(2):54 －58.

［12］ 余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用(第二版)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007:128－138.

［13］ GB 151—2012，熱交換器(征求意見(jiàn)稿)［S］.

［14］ 司磊.HTRI在管殼式換熱器選型中的應(yīng)用［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(7):60.

［15］ 胡錫文，林興華.管殼式換熱器管板的有限元分析［J］.壓力容器，2004，21(10):26－28.