劉靖 張大勇(泰山集團(tuán)股份有限公司,山東 泰安 271025)
在立式換熱器設(shè)計(jì)時(shí),常常在管板上設(shè)置一個(gè)排放孔,其主要目的是排出殼程介質(zhì)易產(chǎn)生的沉淀聚集和蒸流液聚集,避免加重管板與換熱管焊縫的腐蝕,影響換熱效果;某公司制造的一臺(tái)中溫?fù)Q熱器,設(shè)置了一個(gè)Φ36的排放孔。設(shè)備制造過(guò)程中,進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),排放管焊縫附近出現(xiàn)泄漏。為分析泄漏原因,我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)用常規(guī)的內(nèi)壓剪切力方法進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算不能反應(yīng)排放管焊縫附近真實(shí)的應(yīng)力裝態(tài),所以用ANSYS軟件對(duì)管板及排放孔做有限元應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)給出的排放孔焊接強(qiáng)度不夠;制造廠需要對(duì)此部位進(jìn)行返修,因該U型換熱器的管板采用管、殼程固定式結(jié)構(gòu)(焊接結(jié)構(gòu)),返修需切開(kāi)折流板后,對(duì)已焊接的排污管泄漏部位修磨,按照分析計(jì)算要求的焊腳尺寸重新焊接后,最終試壓合格。
水煤氣自管箱右側(cè)N1入口以溫度為238℃進(jìn)入中溫?fù)Q熱器管程,與從殼程左側(cè)N3入口進(jìn)入中溫?fù)Q熱器殼程的溫度為396℃的變換氣換熱后溫度降至370℃,水煤氣溫度升至264℃。中溫?fù)Q熱器采用U型管式換熱器。排放管與管板連接見(jiàn)圖1,設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 排放管與管板連接結(jié)構(gòu)圖
管板殼程側(cè)堆焊層厚度12mm,管程側(cè)堆焊層厚度6mm,堆焊層過(guò)渡圓角半徑R6,換熱管規(guī)格:Φ25×2,U型管根數(shù):746,正方形排列,排放管設(shè)置在管板半徑R760處,排放管規(guī)格:Φ34×5,排放管與管板間隙1mm。元件材料性能見(jiàn)表2。
表1 中溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)參數(shù)
表2 元件材料性能(試驗(yàn)溫度20℃)
根據(jù)管板、換熱管、排放管的幾何和受力特點(diǎn),取四分之一幾何圖形,建立有限元分析模型近似模擬此結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,模型幾何參數(shù)見(jiàn)表3,管板、換熱管、排放管有限元模型見(jiàn)圖2,管板排與放管模型見(jiàn)圖3。(應(yīng)力分析工況為殼程側(cè)水壓試驗(yàn),有限元模型中所有元件厚度均包含堆焊層厚度。)
表3 模型幾何參數(shù)
圖2 管板、換熱管、排放管有限元模型
圖3 管板與排放管有限元模型
如圖4所示,有限元采用185三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分,模型節(jié)點(diǎn)數(shù):1030140,單元數(shù):816650。
圖4 有限元模型網(wǎng)格圖
位移邊界條件(圖5):殼程筒體端面加Z向軸向位移約束,在XOZ加Y向位移約束,YOZ平面加X(jué)向位移約束。
圖5 有限元模型位移邊界條件
載荷邊界條件:在殼程筒體內(nèi)表面、排放管內(nèi)表面、換熱管外表面施加試驗(yàn)壓力:Pt=13.7 MPa,在排放管端部施加內(nèi)壓等效面載荷:q=Ptdi2/(do2-di2)=13.6 MPa,詳見(jiàn)圖6。
圖6 有限元模型載荷邊界條件
由結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖(圖7、圖8)可見(jiàn),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在管板與殼程筒體連接處。
圖7 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖
圖8 管板、排放管、角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度云圖
取排放管、管板、角焊縫四分之一模型(靠近殼程筒體側(cè)),在排放管與管板間隙焊縫中間點(diǎn)截面,沿圓周方向做線性化處理,各路徑對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度見(jiàn)表4,應(yīng)力線性化路徑見(jiàn)圖9。
表4 排放管與管板角焊縫應(yīng)力強(qiáng)度
由分析結(jié)果可知,排放管與管板角焊縫截面應(yīng)力不能滿足強(qiáng)度要求,導(dǎo)致壓力試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)泄漏。
出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因在于:該設(shè)備設(shè)計(jì)溫度較高,對(duì)應(yīng)的耐壓試驗(yàn)壓力高。這種固定管板式結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在管板與筒體連接處,排放管設(shè)置在高應(yīng)力區(qū),GB151沒(méi)有計(jì)算管板壓力試驗(yàn)情況以及管板邊緣開(kāi)單個(gè)大孔的情況。
圖9 應(yīng)力線性化路徑圖
將排放管與管板焊接角焊縫打磨修改為U型坡口(見(jiàn)圖10),采用U型坡口代替常用的45°坡口有優(yōu)點(diǎn)是:焊縫成型好,尖點(diǎn)處不易產(chǎn)生未融合現(xiàn)象,焊腳尺寸可達(dá)到圖紙要求。經(jīng)上述處理后,水壓試驗(yàn)合格。
圖10 管板與排污管U型坡口
本文通過(guò)對(duì)中溫?fù)Q熱器管板上排放管水壓試驗(yàn)案例的應(yīng)力分析,提示設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行類(lèi)似設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意一下三點(diǎn):(1)對(duì)設(shè)計(jì)溫度較高的設(shè)備應(yīng)校核水壓試驗(yàn)工況時(shí),管子與管板角焊縫強(qiáng)度;(2)管板上設(shè)置排放孔時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)管板高應(yīng)力區(qū)域;(3)對(duì)于GB151不包含的工況且在壓力試驗(yàn)或操作時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題的結(jié)構(gòu),需要做應(yīng)力分析,給出合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),從而避免在設(shè)備制造或使用過(guò)程中,出現(xiàn)返修等影響產(chǎn)品質(zhì)量和交貨期的問(wèn)題。