張賢福

(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇南京 211112)

0 引言

乙烯、丙烯等不飽和烯烴是生產(chǎn)各種重要有機化工產(chǎn)品的原材料，目前以管式爐裂解技術最為成熟，其原理是讓石油系的烴類和蒸汽的混合物通過裂解爐管，在通過爐管這段很短的時間內，將混合物料加熱至高溫，一般為800～900℃左右，在高溫下，石油系烴類會發(fā)生裂解，生成乙烯、丙烯等不飽和烯烴。這些烯烴在高溫下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生二次反應，所以必須將其迅速冷卻，文中探討的薄管板式急冷換熱器就是用來快速冷卻這些裂解后的混合氣體(簡稱裂解氣)的。在該急冷換熱器中，裂解氣走管程，冷卻水走殼程，殼程壓力高達12 MPa。若按GB 151—1999進行計算，管板很厚，但管板又直接面對高溫裂解氣的沖刷，若厚度太厚，管板不能被殼程冷卻水充分冷卻，在高溫沖刷下，管頭會很快磨損失效，所以選擇了撓性薄管板結構。因撓性薄管板的管板較薄，殼程的冷卻水能夠對其進行快速冷卻，管板的實際工作溫度接近于殼程溫度，力學性能得以提高，設備使用周期能得到延長。除了上述優(yōu)勢外，采用薄管板還有以下優(yōu)點:

(1)管板與筒體采用折邊連接，該折邊產(chǎn)生一定的彈性變形，能部分補償殼體和換熱管的熱膨脹差，使換熱管和殼體的溫差應力減小，同時也減小了管板邊緣的應力集中;

(2)厚度減薄，節(jié)省了材料成本［1］。

文中對薄管板的計算方法進行了一些對比和探討。

1 計算方法的選擇

折邊撓性薄管板的一般結構見圖1。對于這種結構，壓力容器標準中無相關的設計計算和結構要求，因此選擇什么方法對該管板進行初始設計就成了一個討論點。

圖1 撓性薄管板結構示意

當設計壓力≤6.4 MPa時，該結構型式的折邊撓性薄管板可以按SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》的要求進行設計計算;當設計壓力＞6.4 MPa時，該折邊撓性薄管板無論按鍋爐，還是按壓力容器進行設計，其設計計算方法均無標準，所以只能采用國外標準或應力分析，國外相關的標準有英國的BS 2790《焊接結構鍋殼式鍋爐設計制造規(guī)范》，德國的AD 2000規(guī)范及歐洲的EN 12953《鍋殼鍋爐》等。但根據(jù)文獻［2］中所述，GB/T 16508—1996［3］中有壓力限制，并不是公式在理論上不適用，而是考慮當時的蒸汽壓力不高，并且 GB/T 16508，SH/T 3158—2009［4］及EN 12953［5］都注明:當設計壓力超過標準壓力上限時，通常認為有必要進行附加的設計分析、檢驗和測試。這是因為該標準考慮了鍋殼式鍋爐中的不帶折邊管板與筒體連接焊縫處的應力較大，一般采用應力分析法進行校核。因此，如果使用國內標準，可以使用SH/T 3158對該薄管板進行預設計計算;使用國外標準，可以使用英國的 BS 2790［6］、德 國 的 AD［7］規(guī) 范 及 歐 盟 的EN 12953(現(xiàn)已取代BS 2790)。以下應用各種標準對該結構進行計算，并對計算結果進行分析比較，得出一些工程應用方面應該注意的問題。

2 高壓撓性薄管板計算示例

2.1 示例計算模型

該換熱器結構如圖2所示，布管形式如圖3所示。設計參數(shù)如表1所示，各部分材質及力學性能如表2所示。

圖2 換熱器結構示意

圖3 換熱器布管圖

表1 換熱器設計參數(shù)

表2 換熱器各部分材質及力學性能

2.2 參照SH/T 3158—2009進行預計算

管板計算的假想圓如圖4所示。

圖4 管板計算的假想圓

SH/T 3158—2009中計算管束區(qū)以內、以外管板最小需要厚度按下式計算:

式中 δmin——管板最小需要厚度，mm

k——系數(shù)，根據(jù)換熱管對管板的支撐形式，查SH/T 3158表11獲得k=0.35

dJ——假想圓直徑，mm，通過作圖獲得(見圖4)

p——計算壓力，MPa

［σ］t——許用應力，等于基本許用應力乘以SH/T 3158的應力修正系數(shù)，［σ］t=0.85 ×158.8=135.0 MPa

C——厚度附加量(文中僅探討計算方法，厚度附加量取0)

故根據(jù)式(1)計算得管板最小需要厚度:

δmin=13.1 mm

2.3 根據(jù)AD規(guī)范計算

為充分發(fā)揮換熱管對管板的加強作用，德國AD規(guī)范提出只需考慮非布管區(qū)及布管區(qū)與非布管區(qū)交界處的強度，將管子作為固定支撐，即將管板視作管子固定支撐下的平板，計算其最大無支撐區(qū)的平板強度。據(jù)此建立的管板厚度公式為:

式中 δ1——管板厚度，mm

d2——非布管區(qū)所能畫得最大外接圓直徑，mm

Pa——管板計算載荷，MPa

根據(jù)式(2)計算得管板厚度:

δ1=13.8 mm

2.4 根據(jù)EN 12953計算

EN 12953的計算公式如下:

式中 ech——管板厚度，mm

C4——常數(shù)，查得:C4=0.33

b——假想圓直徑，mm，通過作圖獲得(見圖4)

y——系數(shù)，y=1.1

Pc——計算壓力，MPa

f——許用應力，MPa

根據(jù)式(3)計算得管板厚度:

ech=12.5 mm

2.5 應用ANSYS對其進行應力分析校核計算

以上按各標準計算的管板厚度見表3。

表3 按各種標準計算的管板厚度

運用ANSYS 10.0對管板進行應力分析核算，將各標準公式計算的管板厚度圓整至14 mm，將管箱法蘭看成是一個剛性環(huán)，忽略法蘭連接接觸面的影響，取設備的1/4建模，換熱器結構如圖2所示，分析結構的實體模型見圖5。分析模型采用8節(jié)點實體單元Solid 45進行網(wǎng)格劃分，圖6示出了分析結構劃分單元網(wǎng)格后的有限元模型。整個模型共73489個節(jié)點，43949個網(wǎng)格單元。

圖5 分析結構實體模型

圖6 分析模型單元網(wǎng)格

換熱器承受的載荷主要有設備內壓及管殼程溫差應力，文中研究的設備，管程壓力很小，主要載荷為殼程壓力及溫差應力，通過對管程單獨受壓、殼程單獨受壓、管殼程同時受壓及管殼程同時受壓加溫差應力這4種工況均進行了分析，結果以管殼程同時受壓外加溫差應力最為苛刻，因此這里僅將該種載荷工況下的計算結果列出。

當管板厚度為14 mm時，結構的整體應力云圖見圖7。可以看出，最大應力位置出現(xiàn)在薄管板的圓弧過渡區(qū)域。管板圓弧過渡區(qū)處在換熱管束與筒體連接的部位，由于換熱管束和筒體的軸向剛度很大，內壓和溫差載荷造成換熱管和筒體之間的相對變形量大部分轉嫁到管板圓弧過渡區(qū)，在此處造成高應力分布。

圖7 Tresca應力云圖(管板厚度14 mm)

這里取兩處位置對應力進行評定，一處在管板中心;一處穿過最大應力點(在管板與筒體連接的過渡圓弧區(qū))，線性化處理位置見圖8。對于1－1位置，PL=90.96 MPa＜Sm=158.8 MPa，PL+Pb=116.2 MPa ＜1.5Sm=238.2 MPa，評定合格［8］;對于 2 －2 位置，PL=110.8 MPa＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb+Q=577.4 MPa ＞ 3Sm=476.4 MPa，應力校核不合格。

圖8 應力線性化位置(管板厚度14 mm)

將管板厚度提高到20 mm，再次進行分析計算，所得的Tresca應力云圖如圖9所示，應力線性化位置如圖10所示。對于1－1位置，PL=82.02 MPa＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb=135.9 MPa ＜1.5Sm=238.2 MPa，評定合格;對于 2 －2 位置，PL=87.73 MPa ＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb+Q=456.2 MPa ＜3Sm=476.4 MPa，應力校核合格。

圖9 Tresca應力云圖(管板厚度20 mm)

圖10 應力線性化位置(管板厚度20 mm)

3 結論

(1)布管區(qū)管板厚度按 SH/T 3158—2009、AD規(guī)范及EN 12953計算，強度滿足要求，應力分析也驗證了這一點。

(2)轉角處因受力復雜，且屬于撓性支撐，標準公式無法考慮這些因素［9－10］，需要使用應力分析軟件對這些部位進行設計計算，只有取約等于標準計算厚度的1.5倍左右，應力評定方能通過。

［1］ 張平亮.換熱器薄管板的設計計算［J］.石油化工設備技術，2008，29(5):43 －45.

［2］ 何智靈，劉福.管殼式預熱鍋爐折邊撓性管板計算方法探討［J］.石油和化工設備，2009(3):10－12.

［3］ GB/T 16508—1996，鍋殼鍋爐受壓元件強度計算［S］.

［4］ SH/T 3158—2009，石油化工管殼式余熱鍋爐［S］.

［5］ BS EN 12953 － 3:2002，Shell Boilers——Part 3:Design and Calculation for Pressure Parts［S］.

［6］ BS 2790:1992，Specification for Design and Manufacture of Shell Boilers of Welded Construction［S］.

［7］ AD 2000 CODE，Technical Rules for Pressure Vessels［S］.

［8］ JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設計標準(2005年確認)［S］.

［9］ 葉增榮.管殼式廢熱鍋爐薄管板的熱應力分析［J］.壓力容器，2011，28(12):23 －29.

［10］ 許光第，周幗彥，朱冬生，等.管殼式換熱器設計及軟件開發(fā)［J］.流體機械，2013，41(4):38－42.