夏 寧，李艷艷，黃志國(guó)

(1.山東三維石化工程股份有限公司，山東 青島 266071；2.承德石油高等專科學(xué)校，河北 承德 067000)

廢熱鍋爐是硫磺回收裝置中的重要設(shè)備之一，通過廢熱鍋爐不但可以對(duì)高溫工藝氣體進(jìn)行冷卻，又可以回收高溫工藝氣體的熱能產(chǎn)生蒸汽。而管板又是廢熱鍋爐的重要承壓元件之一[1]，熱別是高溫工藝氣體入口端的管板，既要承受高壓，又要經(jīng)受高溫介質(zhì)的作用，工作條件非?？量獭９P者對(duì)廢熱鍋爐高溫段的撓性管板進(jìn)行有限元分析及安全評(píng)定。

1 管板設(shè)計(jì)參數(shù)

某企業(yè)廢熱鍋爐管板材質(zhì)為14Cr1MoR，殼體材質(zhì)為Q345R，換熱管材質(zhì)為N08800，管板采用帶圓弧過渡的撓性管板結(jié)構(gòu)，管板與殼體通過削邊后焊接連接(見表1和表2)。換熱管采用正三角形排列[2]。

2 管板分析過程

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模型作如下簡(jiǎn)化(見圖1)：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及承載特性，有限元模型取該換熱器管板及換熱管周向的1/4以及軸向1/2為研究對(duì)象。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料性能參數(shù)

2)假設(shè)管板與換熱管為全焊透結(jié)構(gòu)，認(rèn)為兩者結(jié)合緊密，不考慮接觸問題。

2.2 單元的選取

溫度場(chǎng)分析采用8節(jié)點(diǎn)六面體熱分析單元Solid70，應(yīng)力場(chǎng)析采用8節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)分析單元Solid185，兩者能相互轉(zhuǎn)化，并且具有退化功能，便于生成復(fù)雜的網(wǎng)格，適用于該模型。

2.3 邊界條件

2.3.1 溫度場(chǎng)邊界條件的確定

在管程側(cè)管板表面施加對(duì)流換熱系數(shù)72 W/(m2·℃)及溫度1 065 ℃。在換熱管內(nèi)表面施加對(duì)流換熱系數(shù)72 W/(m2·℃)，溫度按照T=83.97Y+1 062.7 ℃施加。在殼體內(nèi)表面、殼程側(cè)管板表面施加對(duì)流換熱系數(shù)1 733 W/(m2·℃)以及溫度260.6 ℃。在換熱管沿殼程方向伸出管板部分的外表面施加對(duì)流換熱系數(shù)12 287 W/(m2·℃)以及溫度260.6 ℃。

2.3.2 結(jié)構(gòu)分析的邊界條件

1)位移邊界條件[3]：在殼程筒體軸向?qū)ΨQ截面處約束Y向位移(即沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向)；在結(jié)構(gòu)另外兩個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，即這些面上的法向位移為零。

2)載荷邊界條件：換熱管內(nèi)表面施加管程壓力，外表面施加殼程壓力；管板兩側(cè)分別施加管程和殼程壓力；殼程筒體內(nèi)表面施加殼程壓力；同時(shí)將熱分析所得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體積載荷施加到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

3 分析計(jì)算結(jié)果

3.1 溫度場(chǎng)分析

對(duì)此換熱器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，此換熱器的最高溫度為388.586 ℃。管板以及換熱管伸入管板的位置溫度梯度最大，如圖2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析時(shí)，首先將溫度場(chǎng)分析所得到的節(jié)點(diǎn)溫度施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，再施加位移邊界條件，得到僅有溫差引起的熱應(yīng)力，通過計(jì)算，熱應(yīng)力為363 MPa。再施加載荷邊界條件內(nèi)壓等，得到該模型熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)的應(yīng)力強(qiáng)度云圖，如圖3所示。

從上圖可知，應(yīng)力強(qiáng)度的最大值為319 MPa，發(fā)生在外圈換熱管的管板處，管板圓弧過渡處內(nèi)表面應(yīng)力也比較高。

3.3 應(yīng)力評(píng)定

在最大應(yīng)力點(diǎn)處沿壁厚方向穿路徑Path1，在管板圓弧過渡內(nèi)表面定義Path2，根據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分類與評(píng)定[4](見表3)。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)該廢熱鍋爐管板進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)JB4732對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)定[4]。結(jié)果表明，該廢熱鍋爐撓性管板管板上各部位均滿足校核條件，故此撓性管板廢熱鍋爐是安全可靠的。

表3 應(yīng)力評(píng)定

2)使用有限元方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出溫度場(chǎng)分布及溫差應(yīng)力。由結(jié)果可知，由溫差產(chǎn)生了較高的熱應(yīng)力，增加管板的轉(zhuǎn)角半徑R值，可以部分地補(bǔ)償換熱管管束與殼體因溫差變形不一致而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

3)在進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分析時(shí)，廢熱鍋爐撓性管板的最大應(yīng)力值出現(xiàn)發(fā)生在外圈換熱管的管板處，管板圓弧過渡處內(nèi)表面應(yīng)力也比較高。為減小該部位的應(yīng)力，在換熱器布管時(shí)應(yīng)盡量均勻布管，避免單根換熱管過于接近管板邊緣圓弧過渡區(qū)。