基于熱-結(jié)構(gòu)耦合爐管吊鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的對(duì)比分析

王子興,楊美娥,董海波,宋民航

(1.中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250101;2.中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086;3.中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

在煉油和化工裝置中,管式加熱爐的爐管系統(tǒng)長(zhǎng)期工作于高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中[1],因此對(duì)爐管系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求。其中,爐管吊鉤是加熱爐爐管系統(tǒng)中的重要連接件,一般安裝于加熱爐爐壁上,不僅承擔(dān)輻射段爐管的重量,同時(shí)也受到爐內(nèi)高溫?zé)煔廨椛浜蛯?duì)流的共同作用,其材質(zhì)主要為奧氏體耐熱合金鋼鑄件[2]。因其結(jié)構(gòu)直接暴露于高溫?zé)煔庵?運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)溫度變化不均勻引起的附加荷載及位移問(wèn)題,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故。如何在常規(guī)爐管吊鉤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,結(jié)合分析設(shè)計(jì)方法對(duì)吊鉤的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行優(yōu)化,從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力及運(yùn)行可靠性,同時(shí)降低加工制造成本,一直是加熱爐設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的研究?jī)?nèi)容[3-5]。

熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法是ANSYS有限元分析過(guò)程中考慮溫度和應(yīng)力兩種物理場(chǎng)的交叉作用和相互影響[6]。熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析可采用順序法和直接法[7-9]。順序法是將熱分析求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中,得到熱應(yīng)力的分布,從而對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行校核。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者[10-12]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)多采用順序法。應(yīng)力分析設(shè)計(jì)是基于彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的應(yīng)力分類設(shè)計(jì)方法[13]。將數(shù)值計(jì)算得到的應(yīng)力根據(jù)產(chǎn)生的原因、作用位置以及失效影響等進(jìn)行合理的分類,然后按不同的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核[14-16]。采用合理的分析設(shè)計(jì)方法是提高加熱爐設(shè)計(jì)水平的有效手段。

傳統(tǒng)的管式加熱爐爐管吊鉤采用一塊厚重的腹板加兩側(cè)筋板來(lái)共同支撐輻射段爐管的重量,雖然結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì),但在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí)卻造成了鋼材的浪費(fèi)。本文以爐管吊鉤為研究對(duì)象,從結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)出發(fā),對(duì)傳統(tǒng)爐管吊鉤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并獲得了一種新型爐管吊鉤結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)兩種爐管吊鉤進(jìn)行熱—應(yīng)力耦合分析,具體對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度、變形以及應(yīng)力情況進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究。旨在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的同時(shí),減輕結(jié)構(gòu)重量,優(yōu)化制造成本,為管式加熱爐爐管吊鉤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1所示為傳統(tǒng)爐管吊鉤的三維模型及主要結(jié)構(gòu)尺寸圖。傳統(tǒng)爐管吊鉤主要由腹板、承臺(tái)、筋板、支撐板和支座等組成,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為支座的上、下端面貫穿,矩形支座板上設(shè)有螺栓孔與爐壁相連接,爐管放在承臺(tái)上,由一塊厚重的腹板加兩側(cè)筋板來(lái)共同承擔(dān)爐管的重量。該結(jié)構(gòu)存在的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)為雖然整體采用一體化設(shè)計(jì),但結(jié)構(gòu)較笨重,增加了安裝及制造成本。因此,需要結(jié)合自身結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。為解決上述問(wèn)題,優(yōu)化形成了圖2所示的一種新型爐管吊鉤結(jié)構(gòu)。新型爐管吊鉤主要由上支座、下支座、上支撐板、下支撐板、腹板和承臺(tái)等組成。與傳統(tǒng)爐管吊鉤相比,新型結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn):①將傳統(tǒng)的一體化支座優(yōu)化為上支座和下支座(夾角為45°);②為有效減輕結(jié)構(gòu)重量,將厚重的腹板設(shè)計(jì)為鏤空結(jié)構(gòu);③爐管重量由承臺(tái)、上支撐板和下支撐板共同承擔(dān);④取消腹板兩側(cè)筋板,上支撐板與承臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)。

圖1 傳統(tǒng)爐管吊鉤三維模型及主要尺寸

圖2 傳統(tǒng)爐管吊鉤三維模型及主要尺寸

在爐管吊鉤匹配的輻射段爐管規(guī)格為Φ219.1 mm×8.7 mm情況下。經(jīng)計(jì)算表明,傳統(tǒng)吊鉤質(zhì)量為85 kg,而經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,新型爐管吊鉤的質(zhì)量?jī)H為28.9 kg,質(zhì)量減少了56.1 kg。兩種結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、變形和應(yīng)力情況將在下文做進(jìn)一步的分析及驗(yàn)證。

2 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)兩種吊鉤結(jié)構(gòu)的主要幾何尺寸,采用Solid Works軟件按1∶1建立完整的三維模型。然后將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及有限元分析。在有限元網(wǎng)格劃分中,根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)模型的大小,設(shè)置單元格均為10 mm,單元格類型為四面體占優(yōu)方法并采用網(wǎng)格自動(dòng)生成法進(jìn)行計(jì)算域的網(wǎng)絡(luò)劃分。傳統(tǒng)爐管吊鉤共劃分116 693個(gè)節(jié)點(diǎn),27 723個(gè)單元;新型爐管吊鉤共劃分108 268個(gè)節(jié)點(diǎn),27 462個(gè)單元。圖3及圖4分別給出了兩種結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分情況。

3 載荷與邊界條件

采用熱—結(jié)構(gòu)耦合分析順序法,首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析得到結(jié)構(gòu)的溫度分布情況,而后將求得的單元節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。為保證新舊兩種結(jié)構(gòu)模型具有可比性,除結(jié)構(gòu)形式不同外,其材料選擇、熱載荷、結(jié)構(gòu)載荷的設(shè)置均保持一致。

圖3 傳統(tǒng)爐管吊鉤網(wǎng)格劃分(mm)

圖4 新型爐管吊鉤網(wǎng)格劃分(mm)

3.1 材料計(jì)算參數(shù)

爐管吊鉤材料選用奧氏體耐熱鋼ZG40Cr25Ni12,該材料具有良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性,廣泛應(yīng)用于管式加熱爐的爐內(nèi)構(gòu)件。該材料在不同溫度下的物性參數(shù)如表1所示。

表1 ZG40Cr25Ni12 物性參數(shù)表

3.2 熱-結(jié)構(gòu)耦合控制方程

在熱-結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值計(jì)算過(guò)程中涉及熱彈性理論問(wèn)題,其中最基本、最重要的方程是熱彈性力學(xué)的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程。求解熱彈性問(wèn)題的關(guān)鍵和基礎(chǔ)就是找出滿足給定的邊界條件且適合上述兩個(gè)方程的解。

包含熱應(yīng)變和熱應(yīng)力在內(nèi)的以應(yīng)力及溫差表應(yīng)變的廣義胡克定律為

(1)

(2)

式中:σx,σy,σz為正應(yīng)力;τxy,τyz,τzx為切應(yīng)力;εx,εy,εz為正應(yīng)變;γxy,γyz,γzx為切應(yīng)變;u,v,w為任意點(diǎn)x,y,z方向的位移;E為拉壓彈性模量;G為切邊模量;μ為泊松比;α為材料的線膨脹系數(shù);t為溫度的變化量。

考慮表面力和體積力作用的熱彈性力學(xué)的微分方程為

(3)

(4)

式中:Fx,Fy,Fz為單位體積的體積力在x,y,z軸上的分量;?2為拉普拉斯算子;e為體積應(yīng)變,e=εx+εy+εz;λ為拉梅常數(shù),λ=Eμ/(1+μ)(1-2μ);關(guān)于熱-結(jié)構(gòu)耦合中涉及的熱彈性理論詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17-18]。

3.3 熱載荷與邊界

按照SH/T3036—2012[19]中關(guān)于爐管吊鉤的要求,位于輻射段且暴露于耐火材料(爐墻)外的支撐件與煙氣接觸管架的設(shè)計(jì)溫度等于管架所經(jīng)受的煙氣溫度加100 ℃,且最低設(shè)計(jì)溫度不低于870 ℃?；跔t管吊鉤的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,設(shè)定吊鉤下表面計(jì)算溫度870 ℃,對(duì)流傳熱系數(shù)1.189 W/(mm2· ℃)?？紤]到承臺(tái)上表面與爐管直接接觸,因此設(shè)定承臺(tái)上表面溫度設(shè)為308 ℃。支座底部與爐壁相連,設(shè)定溫度為70 ℃。如圖5所示,將以上熱荷載分別施加到兩種吊鉤結(jié)構(gòu)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析。

3.4 結(jié)構(gòu)載荷與邊界

輻射段爐管安裝在吊鉤的承臺(tái)面上,每個(gè)吊鉤需承受爐管3個(gè)直段和3個(gè)彎頭的重量加管內(nèi)沖水重量。輻射段爐管規(guī)格均為Φ219.1 mm×8.7 mm,爐管長(zhǎng)11 m。則施加在承臺(tái)上的計(jì)算載荷P為

P=M(2LP1+P2+P3)

(5)

式中:M為載荷計(jì)算系數(shù),(考慮3個(gè)吊鉤中只有2個(gè)起作用,取M=1.5);L為爐管長(zhǎng)度,L=11 m;P1為包括沖水在內(nèi)的爐管質(zhì)量,取P1=53.1 N/m;P2為上彎頭(一般為鑄造)質(zhì)量,P2=793.8 N;P3為下彎頭質(zhì)量,P3=33.32 N。

經(jīng)計(jì)算得施加在兩種吊鉤承臺(tái)面上的載荷P=2 993 N。因爐管吊鉤均采用螺栓與加熱爐爐壁固定且沿壁板方向和徑向存在膨脹空間,所以僅在爐管吊鉤4個(gè)螺栓孔內(nèi)表面施加平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束,其余結(jié)構(gòu)位置自由形變。兩種爐管吊鉤的結(jié)構(gòu)載荷與邊界條件設(shè)定如圖5所示。

圖5 爐管吊鉤熱載荷及結(jié)構(gòu)載荷與邊界條件

4 結(jié)果與討論

4.1 溫度場(chǎng)分析

圖6及圖7所示分別為傳統(tǒng)爐管吊鉤的溫度分布云圖和新型爐管吊鉤的溫度分布云圖。當(dāng)熱量經(jīng)過(guò)腹板外表面的對(duì)流換熱和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),可見(jiàn)兩種結(jié)構(gòu)的均存在兩個(gè)低溫區(qū),并分別位于支座底端和承臺(tái)上表面區(qū)域,其中支座底端與爐壁板接觸溫度均在70 ℃左右,而承臺(tái)上表面區(qū)域與輻射管直接接觸溫度范圍在270～340 ℃。同時(shí)可見(jiàn),兩種結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)不同,其中,傳統(tǒng)爐管吊鉤高溫區(qū)位于腹板中下部,最高溫度值達(dá)681 ℃,而新型爐管吊鉤的高溫區(qū)分布位于下支撐板和腹板右側(cè)以及承臺(tái)右側(cè)頂端部分區(qū)域,最高溫度值為606 ℃。兩種爐管吊鉤的溫度場(chǎng)均沿本體從高溫區(qū)向低溫區(qū)呈均勻的梯度變化。新型爐管吊鉤的高溫區(qū)面積更小,且最高溫度值較傳統(tǒng)爐管吊鉤低75 ℃。

圖6 傳統(tǒng)爐管吊鉤溫度分布云圖

圖7 新型爐管吊鉤溫度分布云圖

4.2 變形情況分析

將得到的兩種吊鉤結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上,并結(jié)構(gòu)載荷和邊界一起進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得到了兩種結(jié)構(gòu)的總體變形情況如圖8和圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)爐管吊鉤變形云圖

從圖8可知,傳統(tǒng)爐管吊鉤的變形最大點(diǎn)位于腹板右側(cè)圓角處,最大位移值為4.37 mm。在圖9中,新型爐管吊鉤的最大位置點(diǎn)位于承臺(tái)右側(cè)頂端,最大位移值為4.23 mm?？芍滦蜖t管吊鉤的總體位移值小于傳統(tǒng)吊鉤。兩種爐管吊鉤支座處的總體變形最小,且結(jié)構(gòu)總體變形從右向左沿腹板和支撐板呈均勻的梯度變化。

圖9 新型爐管吊鉤變形云圖

4.3 應(yīng)力分析

圖10及圖11所示分別為兩種爐管吊鉤熱-結(jié)構(gòu)耦合得到的von Mises等效應(yīng)力云圖。從圖10可知,受承臺(tái)集中力和整體熱應(yīng)力的共同作用,傳統(tǒng)爐管吊鉤的4個(gè)螺栓孔周圍出現(xiàn)了較大應(yīng)力區(qū)域,最大應(yīng)力位于支座與右上側(cè)螺栓孔連接的凸緣根部,這是由于螺栓凸緣處的幾何外形突變所造成的,其最大應(yīng)力值為450 MPa。應(yīng)力分布情況從螺栓孔的高應(yīng)力區(qū)沿支座呈梯度均勻分布,并逐漸向腹板低應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展。在腹板的中心處的較大應(yīng)力區(qū)域呈“幾”字形分布,應(yīng)力值范圍在100～120 MPa,腹板的其他區(qū)域應(yīng)力值均在50 MPa以下。

圖11所示為新型爐管吊鉤的等效應(yīng)力云圖,其應(yīng)力場(chǎng)分布情況與傳統(tǒng)爐管吊鉤的應(yīng)力分布略有不同。因結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),因此在相同的結(jié)構(gòu)荷載及熱荷載作用下新型爐管吊鉤出現(xiàn)了較大應(yīng)力區(qū),且面積明顯小于傳統(tǒng)爐管吊鉤的高應(yīng)力區(qū)面積。新型爐管吊鉤低應(yīng)力區(qū)范圍均在44.7 MPa以下,較大應(yīng)力區(qū)域主要分布在三個(gè)區(qū)域,分別為上、下支座螺栓孔附近,腹板半圓處和上支撐板與承臺(tái)相接處。最大應(yīng)力值位于左上支座螺栓孔內(nèi)表面,最大應(yīng)力值為402 MPa,小于傳統(tǒng)吊鉤最大應(yīng)力值的450 MPa。另外,在新型爐管吊鉤的倒角、圓角位置出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,同樣是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)幾何外形突變?cè)斐伞?/p>

圖11 新型爐管吊鉤等效應(yīng)力云圖

4.4 應(yīng)力線性化評(píng)定

通過(guò)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析可知,兩種爐管吊鉤在螺栓孔附近的最大應(yīng)力值分別為450和402 MPa,均超過(guò)了ZG40Cr25Ni12在該溫度下的屈服強(qiáng)度,表2是ZG40Cr25Ni12的力學(xué)特性[20]。由于吊鉤的熱膨脹受限產(chǎn)生熱應(yīng)力,但結(jié)構(gòu)中是自平衡的,也就是說(shuō),結(jié)構(gòu)在螺栓孔附近產(chǎn)生屈服,反而可以幫助材料克服溫差變形,但需要做進(jìn)一步的分析。

表2 ZG40Cr25Ni12力學(xué)特性

針對(duì)上述情況,對(duì)兩種結(jié)構(gòu)以危險(xiǎn)點(diǎn)為起點(diǎn)沿螺栓孔內(nèi)表面的厚度方向做危險(xiǎn)路徑,兩種爐管吊鉤結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)路徑如圖10和圖11中路徑1-1和路徑2-2所示。圖12及圖13所示分別為1-1和2-2路徑上計(jì)算得到的各應(yīng)力線性化值。路徑上的薄膜應(yīng)力是局部薄膜應(yīng)力,薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力視為一次加二次應(yīng)力。其中,熱應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇。1-1路徑上的局部薄膜應(yīng)力為231 MPa,而2-2路徑上的局部薄膜應(yīng)力僅為99.8 MPa。兩條路徑上的彎曲應(yīng)力均在路徑上的中間位置達(dá)到最小值,即內(nèi)側(cè)受壓外側(cè)受拉。一次+二次應(yīng)力變化規(guī)律為內(nèi)側(cè)存在最大值并且沿路徑逐漸減小,在中部附近達(dá)到最小值,而后逐漸增大。1-1路徑上的最大值為291 MPa,2-2路徑上的最大值為317 MPa。

圖12 路徑1-1線性化應(yīng)力分類

圖13 2-2路徑線性化應(yīng)力分類

ZG40Cr25Ni12材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm取設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度σs/1.5和常溫下標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度σb/2.6中的最低值,計(jì)算得到Sm=160 MPa。將得到的兩個(gè)路徑上的應(yīng)力分量與材料的許用極限進(jìn)行比較,校核結(jié)果如表3所示。

表3 兩種爐管吊鉤應(yīng)力線性化校核

由表3可知,雖然兩種吊鉤的最大應(yīng)力均超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度,但通過(guò)應(yīng)力線性化對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)的危險(xiǎn)路徑進(jìn)行應(yīng)力分類的進(jìn)一步分析評(píng)定表明,兩種結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)要求。而且新型爐管吊鉤的局部薄膜應(yīng)力要小于傳統(tǒng)爐管吊鉤,但局部彎曲應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力值均大于傳統(tǒng)爐管吊鉤,這是由于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的。

5 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)爐管吊鉤的基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得了一種新型爐管吊鉤結(jié)構(gòu),并采用ANSYS軟件對(duì)兩種爐管吊鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合對(duì)比分析,主要結(jié)論如下:

(1)根據(jù)管式加熱爐爐管吊鉤的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),將傳統(tǒng)爐管吊鉤的厚重腹板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),更改為鏤空結(jié)構(gòu)并將支座進(jìn)行上、下結(jié)構(gòu)分開(kāi)布置,得到了一種新型的爐管吊鉤結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的新型爐管吊鉤重量?jī)H為傳統(tǒng)爐管吊鉤的1/3,能夠保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,大幅減少了結(jié)構(gòu)重量。

(2)應(yīng)用ANSYS對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析表明,在相同的熱載荷和邊界條件下,新型爐管吊鉤最高溫度值較傳統(tǒng)爐管吊鉤低75 ℃,且高溫區(qū)面積更小。

(3)傳統(tǒng)爐管吊鉤總體變形最大點(diǎn)位于腹板右側(cè)圓角處,為4.37 mm,而新型爐管吊鉤的變形最大點(diǎn)位于承臺(tái)右側(cè)頂端,為4.23 mm。應(yīng)力最大點(diǎn)均位于螺栓孔安裝面附近,最大應(yīng)力值分別為450 MPa和402 MPa,均超過(guò)了ZG40Cr25Ni12在該溫度下的屈服強(qiáng)度。同時(shí),新型爐管吊鉤的高應(yīng)力區(qū)面積明顯小于傳統(tǒng)爐管吊鉤。

(4)對(duì)兩種爐管吊鉤結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)路徑上做應(yīng)力線性化處理,得到了結(jié)構(gòu)的局部薄膜應(yīng)力、局部彎曲應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力值,并進(jìn)行了相應(yīng)的校核,校核結(jié)果證明結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。