劉靖 張大勇(泰山集團股份有限公司，山東 泰安 271025)

0 引言

在立式換熱器設(shè)計時，常常在管板上設(shè)置一個排放孔，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；某公司制造的一臺中溫換熱器，設(shè)置了一個Φ36的排放孔。設(shè)備制造過程中，進行水壓試驗時，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)運用常規(guī)的內(nèi)壓剪切力方法進行應(yīng)力校核計算不能反應(yīng)排放管焊縫附近真實的應(yīng)力裝態(tài)，所以用ANSYS軟件對管板及排放孔做有限元應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計給出的排放孔焊接強度不夠；制造廠需要對此部位進行返修，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))，返修需切開折流板后，對已焊接的排污管泄漏部位修磨，按照分析計算要求的焊腳尺寸重新焊接后，最終試壓合格。

1 中溫換熱器基本情況

水煤氣自管箱右側(cè)N1入口以溫度為238℃進入中溫換熱器管程，與從殼程左側(cè)N3入口進入中溫換熱器殼程的溫度為396℃的變換氣換熱后溫度降至370℃，水煤氣溫度升至264℃。中溫換熱器采用U型管式換熱器。排放管與管板連接見圖1，設(shè)備設(shè)計參數(shù)見表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。元件材料性能見表2。

表1 中溫換熱器設(shè)計參數(shù)

表2 元件材料性能(試驗溫度20℃)

2 管板、換熱管、排放管應(yīng)力分析

2.1 建立管板、換熱管、排放管有限元模型

根據(jù)管板、換熱管、排放管的幾何和受力特點，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)見表3，管板、換熱管、排放管有限元模型見圖2，管板排與放管模型見圖3。(應(yīng)力分析工況為殼程側(cè)水壓試驗，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

2.2 有限元網(wǎng)格

如圖4所示，有限元采用185三維實體單元進行網(wǎng)格剖分，模型節(jié)點數(shù)：1030140，單元數(shù)：816650。

圖4 有限元模型網(wǎng)格圖

2.3 模型邊界條件

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向位移約束。

圖5 有限元模型位移邊界條件

2.4 模型載荷條件

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，詳見圖6。

圖6 有限元模型載荷邊界條件

2.5 有限元分析結(jié)果

由結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力強度分布云圖(圖7、圖8)可見，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)力強度云圖

圖8 管板、排放管、角焊縫應(yīng)力強度云圖

2.6 應(yīng)力評定

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截面，沿圓周方向做線性化處理，各路徑對應(yīng)的應(yīng)力強度見表4，應(yīng)力線性化路徑見圖9。

表4 排放管與管板角焊縫應(yīng)力強度

由分析結(jié)果可知，排放管與管板角焊縫截面應(yīng)力不能滿足強度要求，導(dǎo)致壓力試驗時出現(xiàn)泄漏。

出現(xiàn)上述問題的原因在于：該設(shè)備設(shè)計溫度較高，對應(yīng)的耐壓試驗壓力高。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沒有計算管板壓力試驗情況以及管板邊緣開單個大孔的情況。

圖9 應(yīng)力線性化路徑圖

3 補救措施

將排放管與管板焊接角焊縫打磨修改為U型坡口(見圖10)，采用U型坡口代替常用的45°坡口有優(yōu)點是：焊縫成型好，尖點處不易產(chǎn)生未融合現(xiàn)象，焊腳尺寸可達到圖紙要求。經(jīng)上述處理后，水壓試驗合格。

圖10 管板與排污管U型坡口

4 結(jié)語

本文通過對中溫換熱器管板上排放管水壓試驗案例的應(yīng)力分析，提示設(shè)計人員在進行類似設(shè)備設(shè)計時，應(yīng)注意一下三點：(1)對設(shè)計溫度較高的設(shè)備應(yīng)校核水壓試驗工況時，管子與管板角焊縫強度；(2)管板上設(shè)置排放孔時應(yīng)盡量避開管板高應(yīng)力區(qū)域；(3)對于GB151不包含的工況且在壓力試驗或操作時可能出現(xiàn)問題的結(jié)構(gòu)，需要做應(yīng)力分析，給出合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而避免在設(shè)備制造或使用過程中，出現(xiàn)返修等影響產(chǎn)品質(zhì)量和交貨期的問題。