李疆鴻，朱巧家，蘭小剛，曹 宇，宮 超，郭延穩(wěn)

（上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

蒸汽蓄熱器是在工業(yè)鍋爐供汽系統(tǒng)中儲存多余熱量并在需要時將所蓄熱量釋放出來的設(shè)備，常見的蒸汽蓄熱器為變壓立式圓筒形或臥式圓筒形結(jié)構(gòu)。受制造工藝和運輸條件等限制，圓筒形結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足我國大型企業(yè)的發(fā)展需求。近年來，球形儲罐（簡稱球罐）被廣泛用于蒸汽蓄熱器[1]。球罐具有占地面積小、儲存能量大、結(jié)構(gòu)簡單及節(jié)約鋼材等優(yōu)點，且球形蒸汽蓄熱器的蒸汽空間遠大于臥式圓筒形蓄熱器，有利于降低飽和蒸汽的含水率。但球罐只是儲存類容器，操作工況相對簡單。而蒸汽蓄熱器內(nèi)包含有熱水以及充熱、汽水分離、補水放水等裝置，需對變化的蒸汽負荷進行調(diào)節(jié)，且蓄熱器內(nèi)部的壓力和溫度都在不斷波動。因此，球形蒸汽蓄熱器殼體的接管布置、應(yīng)力分析及技術(shù)要求等都與普通球罐有很大區(qū)別。

筆者以承接的某項目中650 m3球形蒸汽蓄熱器殼體設(shè)計為例，對球形蒸汽蓄熱器殼體設(shè)計要點進行闡述，并采用有限元分析方法對殼體關(guān)鍵部位進行強度評定，確保設(shè)計的可靠性。

1 球形蒸汽蓄熱器主要設(shè)計參數(shù)

650 m3球形蒸汽蓄熱器殼體的設(shè)計壓力為3.5 MPa，設(shè)計溫度 245℃，腐蝕余量 1.5 mm，工作壓力為1.3～3.2 MPa，工作溫度195～240℃，循環(huán)次數(shù)175 000次，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.1g，地震分組為第一組，內(nèi)部充熱裝置質(zhì)量24 226 kg。蒸汽蓄熱器球殼材料為Q370R，接管材料為20MnMo。

球形蒸汽蓄熱器殼體的管口規(guī)格參數(shù)及適用標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1中WN表示法蘭類型為帶頸對焊法蘭，F(xiàn)M表示法蘭密封面型式為凹面，M表示法蘭密封面型式為凸面，MFM表示法蘭密封面型式為凹凸面。

表1 球形蒸汽蓄熱器殼體管口規(guī)格參數(shù)及適用標(biāo)準(zhǔn)

2 球形蒸汽蓄熱器總體結(jié)構(gòu)

蒸汽蓄熱器球殼主體選用650 m3球罐最為常用的3帶8柱混合式結(jié)構(gòu)[4]。該結(jié)構(gòu)焊縫少、焊接量小、板材利用率高、互換性好、制造運輸方便且安裝施工經(jīng)驗成熟。支柱選用赤道正切柱式支撐，球殼與支柱采用U型托板連接結(jié)構(gòu)，可有效降低應(yīng)力集中，改善球殼的受力狀態(tài)。拉桿采用可調(diào)式拉桿，可隨時調(diào)節(jié)松緊程度，極大提高支柱的承載能力[5]。應(yīng)工藝需求，在球罐上、下極各設(shè)置1個人孔、蒸汽進出口和進水口等。蓄熱器頂部設(shè)有安全閥接口，用于防止蓄熱器超壓。蓄熱器最底部設(shè)有排污口，可定期排出罐內(nèi)雜質(zhì)。人孔采用回轉(zhuǎn)蓋結(jié)構(gòu)，接管采用厚壁管補強結(jié)構(gòu)。

3 球形蒸汽蓄熱器操作工藝狀態(tài)

該球形蒸汽蓄熱器用于煉鋼轉(zhuǎn)爐一次煙氣余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)。煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉吹氧時會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔饨?jīng)煙道式余熱鍋爐后產(chǎn)生飽和蒸汽。轉(zhuǎn)爐冶煉周期為38～40 min，其中吹氧時間15 min，24 h內(nèi)共冶煉30～35爐。球形蒸汽蓄熱器屬于變溫、變壓式蓄熱器，其工作的壓力和溫度是隨余熱鍋爐蒸發(fā)量的變化而變化的。轉(zhuǎn)爐吹氧時，余熱鍋爐受到高溫?zé)煔獾妮椛溟_始產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過管道進入蓄熱器，使蓄熱器內(nèi)壓力、水溫和水位不斷升高，此蓄熱過程中壓力由1.3 MPa變?yōu)?.2 MPa，溫度由195℃變?yōu)?40℃。當(dāng)用戶仍需要蒸汽時，蓄熱器內(nèi)的壓力會降低，其內(nèi)的飽和水閃蒸變成蒸汽，從蓄熱器頂部管口排出，此放熱過程中壓力由3.2 MPa變?yōu)?.3 MPa，溫度由240℃變?yōu)?95℃。24 h內(nèi)蓄熱和放熱過程各發(fā)生約35次，其他時間段可認為蓄熱器處于某個壓力，壓力和溫度是穩(wěn)定的[6]。

由上述操作工藝狀態(tài)可以看出，球形蒸汽蓄熱器屬于溫度場和壓力場不斷變化的疲勞設(shè)備，其設(shè)計思路和主要技術(shù)要求與普通球罐有很大區(qū)別，進行有限元應(yīng)力分析時要充分考慮。

4 球形蒸汽蓄熱器接管布置

在球形儲罐設(shè)計過程中，接管布置非常關(guān)鍵。設(shè)計時既要考慮相鄰接管開孔中心間距，也要考慮相鄰焊接接頭焊縫中心線間距。關(guān)于接管布置的原則，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中都做了相應(yīng)規(guī)定。該球形蒸汽蓄熱器球殼設(shè)計屬于分析設(shè)計，故只對有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析設(shè)計中的接管布置規(guī)定進行了對比，見表2。

表2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)分析設(shè)計中接管布置規(guī)定對比

目前，國內(nèi)應(yīng)用的球形蒸汽蓄熱器規(guī)格以400 m3和650 m3為主，這2種規(guī)格球殼板尺寸相對較小。但蓄熱器管口數(shù)量多，而且部分接管要與罐內(nèi)部件連接，開孔位置不能改變，因此接管管口的開孔位置設(shè)計非常復(fù)雜，既要滿足表2中的要求，又要避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

筆者經(jīng)過詳細的計算和三維仿真模擬，對管口開孔位置進行了設(shè)計，并采用有限元軟件ANSYS進行應(yīng)力分析校核。球形蒸汽蓄熱器上極管口方位俯視圖見圖1。

圖1 球形蒸汽蓄熱器上極管口方位俯視圖

與普通球罐上極布管的最大區(qū)別是，圖1中上人孔不在球殼板中心位置，而是設(shè)置了偏人孔。這主要是因為蓄熱器人孔尺寸過大（DN600 mm），遠大于一般球罐人孔尺寸（DN500 mm），如果人孔布置在中心位置會影響其他相鄰接管開孔。

因高壓蒸汽入口接管與罐內(nèi)部件連接，開孔位置不能變。因此，在保證a1、a2管口位置不變的情況下，設(shè)計了不同直徑的布管圓，按管口大小將其余接管布置在多個布管圓上。相鄰接管焊縫中心線之間的距離以焊縫鈍邊作為基準(zhǔn)加以計算，保證相鄰焊縫鈍邊之間的距離大于200 mm，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。焊縫鈍邊指焊件開坡口時，沿焊件厚度方向未開坡口的端面部分（圖2），焊縫中心線見圖3。

圖2 不同坡口形式焊縫鈍邊示圖

圖3 焊縫中心線示圖

5 球形蒸汽蓄熱器ANSYS有限元分析

5.1 分析工況

有限元分析時充分考慮了蓄熱器運行中的各種工況，在液壓試驗、地震、操作等工況下加載球殼內(nèi)外部載荷，設(shè)置邊界條件后對球殼、支柱、U型托板等進行強度、疲勞分析。因球形蒸汽蓄熱器操作過程中溫度和壓力不斷發(fā)生變化，數(shù)次循環(huán)會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，因此對應(yīng)力強度和疲勞強度均進行評定。

根據(jù)GB/T 12337—2014，對表3所示球形蒸汽蓄熱器工況進行有限元分析。

表3 球形蒸汽蓄熱器有限元分析工況

5.2 有限元模型建立

在有限元分析軟件Workbench 19.2中對球殼、支柱和U型托板進行三維整體建模，考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，對1/2的整體結(jié)構(gòu)進行三維建模和有限元分析。采用8節(jié)點三維實體單元（solid185單元）進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為183 507，節(jié)點數(shù)為25 057，得到的球形蒸汽蓄熱器有限元模型見圖4。

圖4 球形蒸汽蓄熱器有限元模型

在球形蒸汽蓄熱器模型的中間截面施加對稱約束，在球形蒸汽蓄熱器模型的支腿底面施加固定約束。

針對不同工況下給定的載荷條件，對球形蒸汽蓄熱器模型施加相應(yīng)的載荷。

5.3 應(yīng)力分析及強度評定

對工況a～工況d下的球形蒸汽蓄熱器殼體模型進行應(yīng)力分析，得到的模型應(yīng)力云圖結(jié)果見圖5。

圖5 不同工況下球形蒸汽蓄熱器殼體1/2簡化模型應(yīng)力云圖

從圖5看出，4種工況下的應(yīng)力最大點均出現(xiàn)在球殼和U型托板的交界最低點附近，其中工況a應(yīng)力最大點出現(xiàn)在右邊第1根支柱處，工況b～工況d應(yīng)力最大點出現(xiàn)在左邊第1根支柱處。

對球形蒸汽蓄熱器殼體模型應(yīng)力分析結(jié)果中應(yīng)力最大點處建立線性化路徑，進行線性化應(yīng)力強度分析。球形蒸汽蓄熱器殼體模型線性化路徑見圖6，4種工況下線性化應(yīng)力分析計算及強度評定結(jié)果見表4。表4中，球殼材料壓力試驗溫度下的許用應(yīng)力Sm=217 MPa，球殼材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 Smt=171 MPa，載荷組合系數(shù) K1=1.2、K2=1.0、K3=1.25。從表4可以看出，球形蒸汽蓄熱器殼體模型應(yīng)力強度評定合格。

圖6 球形蒸汽蓄熱器殼體模型線性化路徑圖

表4 4種工況下球形蒸汽蓄熱器殼體模型線性化應(yīng)力分析計算及強度評定結(jié)果

5.4 疲勞分析及強度評定

采用熱-固耦合的方法對工況e、工況f下球形蒸汽蓄熱器殼體模型進行應(yīng)力強度計算。

對工況e，在球殼的內(nèi)表面施加環(huán)境溫度195 ℃，傳熱系數(shù) 20 W/（m2·℃）；球殼和支柱外表面有保溫結(jié)構(gòu)，施加環(huán)境溫度22℃，傳熱系數(shù)0.2 W/（m2·℃）。工況e下球形蒸汽蓄熱器殼體模型溫度場分布見圖7，熱-固耦合應(yīng)力分析結(jié)果見圖8。

圖7 工況e下球形蒸汽蓄熱器殼體模型溫度場分布云圖

圖8 工況e下球形蒸汽蓄熱器殼體模型熱-固耦合應(yīng)力分析云圖

對工況f，在球殼內(nèi)表面施加環(huán)境溫度240 ℃，傳熱系數(shù) 20 W/（m2·℃l）；球殼和支柱外表面有保溫結(jié)構(gòu)，施加環(huán)境溫度22℃，傳熱系數(shù)0.2 W/（m2·℃）。工況f下球形蒸汽蓄熱器殼體模型溫度場分布見圖9，熱-固耦合應(yīng)力分析結(jié)果見圖10。

圖9 工況f下球形蒸汽蓄熱器殼體模型溫度場分布云圖

圖10 工況f下球形蒸汽蓄熱器殼體模型熱-固耦合應(yīng)力分析云圖

從圖7和圖9看出，2種工況下均表現(xiàn)為球殼溫度最高，支柱下端溫度最低，溫度從支柱上端到支柱下端呈下降趨勢。從圖8和圖10看出，2種工況下應(yīng)力最大點均出現(xiàn)在左邊第1根支柱對應(yīng)的橢圓蓋與球殼交界的最高點附近。

對球形蒸汽蓄熱器殼體模型熱-固耦合應(yīng)力分析結(jié)果進行疲勞強度評定。工況e下最大應(yīng)力為90.414 MPa，工況f下最大應(yīng)力為213.1 MPa，則模型的交變應(yīng)力幅 Salt=（213.1-90.414）/2=61.443 MPa，經(jīng)溫度修正后的交變應(yīng)力幅Salt′=SaltE/Et=61.443×2.01×105/（1.883×105）=65.59 MPa（E為球殼材料常溫下的彈性模量，Et為球殼材料在240℃下的彈性模量）。查JB 4732—1995 附錄 C 表 C-1，得 Salt′=65.39 MPa 時的允許循環(huán)次數(shù)大于106，此值大于實際循環(huán)次數(shù)175 000，因此疲勞強度評定為合格。

6 球形蒸汽蓄熱器主要技術(shù)要求

6.1 材料

6.1.1 Q370R

球形蒸汽蓄熱器殼體用Q370R鋼板應(yīng)當(dāng)符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[8]的規(guī)定，正火狀態(tài)供貨。由鋼板制造單位對Q370R鋼板逐張進行100%超聲檢測，檢測結(jié)果應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[9]及第 1號修改單的規(guī)定，質(zhì)量等級不低于I級要求。由鋼板制造單位對Q370R鋼板逐張進行拉伸和夏比V型缺口沖擊試驗，沖擊試驗應(yīng)增加1組鋼板1/2厚度取樣，試驗結(jié)果應(yīng)符合GB 713—2014的規(guī)定。由鋼板制造單位按批進行Q370R鋼板250℃高溫拉伸試驗，下屈服強度 ReL≥260 MPa。

由球罐制造單位對Q370R鋼板逐張進行100%超聲檢測復(fù)驗，檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.3—2015及第1號修改單的規(guī)定，質(zhì)量等級不低于I級要求。由球罐制造單位對Q370R鋼板按爐進行化學(xué)成分復(fù)驗，按批進行力學(xué)性能復(fù)驗，按批進行250℃高溫拉伸試驗復(fù)驗，沖擊試驗應(yīng)增加1組鋼板1/2厚度取樣，復(fù)驗結(jié)果應(yīng)符合GB 713—2014的規(guī)定。

6.1.2 20MnMo

受壓元件用20MnMo鍛件性能應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》[10]的規(guī)定，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，按批對鍛件進行250℃高溫拉伸試驗。對Ⅲ級鍛件按批進行夏比V型缺口沖擊試驗復(fù)驗，對Ⅳ級鍛件逐件進行復(fù)驗，按批進行250℃高溫拉伸試驗復(fù)驗，沖擊試驗溫度為-20℃，沖擊功KV2≥47 J。拉伸試驗和其余復(fù)驗項目及結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47008—2017的規(guī)定。

6.2 焊接接頭

受壓元件的焊接接頭應(yīng)按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[11]進行焊接工藝評定，沖擊試驗溫度-20℃，沖擊功KV2≥47 J，其余項目和結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47014—2011的規(guī)定。焊接材料應(yīng)由制造、組焊單位按焊接工藝評定結(jié)果選定。焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)，單面焊接接頭應(yīng)采用氬弧焊打底。對接接頭焊縫內(nèi)外表面應(yīng)與球殼表面齊平，允差為+1.50mm。

6.3 焊接試件

制造單位應(yīng)制備1塊人孔、接管與極板的產(chǎn)品焊接試件，組焊單位應(yīng)制備2塊立焊和平焊加仰焊產(chǎn)品焊接試件，試件的尺寸、試樣的截取等按NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》[12]的規(guī)定執(zhí)行，沖擊試驗溫度為-20℃，沖擊功KV2≥47 J。其余項目和結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47016—2011的規(guī)定。

6.4 無損檢測

受壓元件的對接接頭應(yīng)進行100%衍射時差法超聲（TOFD）檢測（或100%的 X射線檢測）和100%超聲檢測（公稱直徑DN≤50 mm的接管與法蘭的對接接頭可不進行超聲檢測）復(fù)測，接管與球殼或人孔蓋之間的角接接頭、T型接頭應(yīng)進行100%超聲檢測。TOFD檢測應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第 10部分：衍射時差法超聲檢測》[13]的規(guī)定，技術(shù)等級不低于B級要求，質(zhì)量等級不低于Ⅱ級要求；射線檢測應(yīng)符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》[14]及第 1號修改單的規(guī)定，技術(shù)等級不低于AB級要求，質(zhì)量等級不低于Ⅱ級要求；超聲檢測應(yīng)符合NB/T 47013.3—2015及第1號修改單的規(guī)定，技術(shù)等級不低于B級要求，質(zhì)量等級不低于Ⅰ級要求。

受壓元件的焊接接頭表面、非受壓件與球殼的連接焊縫（包括支柱與赤道板連接處的角焊縫表面）、焊補處表面、工卡具焊跡和缺陷修磨處表面打磨光滑后，均在熱處理前和耐壓試驗合格后各進行1次100%磁粉檢測，磁粉檢測應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測第4部分：磁粉檢測》[15]中的規(guī)定，質(zhì)量等級不低于Ⅰ級要求。

6.5 整體熱處理及泄漏試驗

無損檢測合格后按照GB/T 12337—2014的規(guī)定進行球形蒸汽蓄熱器整體熱處理。整體熱處理合格后進行液壓試驗，試驗壓力為4.94 MPa。

6.6 安全附件

該球形蒸汽蓄熱器上的安全閥選用2個全啟式安全閥，安全閥的整定壓力為3.35 MPa。

6.7 支柱垂直度

球形蒸汽蓄熱器使用時，應(yīng)調(diào)整支柱的垂直度，使其符合GB/T 12337—2014的規(guī)定。

7 結(jié)語

目前，該650 m3球形蒸汽蓄熱器已經(jīng)投入使用，性能穩(wěn)定。合理開發(fā)和利用球罐，將球罐與新興行業(yè)結(jié)合對于當(dāng)前球罐的發(fā)展和開拓具有重要意義。球形蒸汽蓄熱器設(shè)計理念新穎，思路獨特，將球罐推廣應(yīng)用到蒸汽蓄熱器中，不僅充分利用了球罐的優(yōu)點，而且蒸汽蓄熱器也達到了其他結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的效果。筆者認為，隨著工業(yè)鍋爐供汽系統(tǒng)的不斷發(fā)展，球形蒸汽蓄熱器必將得到更加廣泛的應(yīng)用，文中所述對球形蒸汽蓄熱器的設(shè)計具有很好的指導(dǎo)意義。