馬一鳴，王海波，楊春天，趙明明，尹依娜，汪沈陽(yáng)，羅沿予

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2.中國(guó)石油化工股份有限公司 中原油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 達(dá)州 636156）

我國(guó)高含硫天然氣資源豐富，資源量超過(guò)4萬(wàn)億 m3［1］，探明儲(chǔ)量近 1萬(wàn)億 m3。 高含硫天然氣具有劇毒、腐蝕性強(qiáng)及安全風(fēng)險(xiǎn)高的特性，無(wú)法直接使用，需進(jìn)行凈化處理。凈化后分離出的酸性氣中含有大量的 H2S、CO2、SO2和 Cl-等， 如直接排空，會(huì)造成很大的環(huán)境危害和硫資源浪費(fèi)［2］，需采用硫磺回收裝置將酸性氣中的硫元素轉(zhuǎn)化為硫磺進(jìn)行回收處理［3］。普光氣田為我國(guó)“川氣東送”的起點(diǎn)，配套的天然氣凈化廠硫磺回收裝置硫磺產(chǎn)能達(dá)240萬(wàn)t/a，規(guī)模居全國(guó)首位。該硫磺回收裝置采用低壓蒸汽發(fā)生、鍋爐給水預(yù)熱的方式將酸性氣反應(yīng)生成的過(guò)程氣冷卻，使過(guò)程氣中的硫蒸氣達(dá)到冷凝點(diǎn)，最后將液硫收集存儲(chǔ)。裝置中的末級(jí)硫冷凝器是關(guān)鍵設(shè)備之一，具有高參數(shù)（管、殼程壓差為 6.4 MPa）、大型化（直徑 3 200 mm）等特點(diǎn)，使用過(guò)程中頻繁發(fā)生內(nèi)漏等問(wèn)題，導(dǎo)致裝置停產(chǎn)、檢修，對(duì)“川氣東送”沿線地區(qū)的天然氣供應(yīng)造成不利影響。

國(guó)內(nèi)外高參數(shù)大型硫冷凝器一般采用管殼式熱交換器中的e型或b型管板結(jié)構(gòu)，管板較厚，剛性較大，導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板連接接頭拘束度較高。在腐蝕環(huán)境下，管頭存在較大溫差應(yīng)力及殘余應(yīng)力，易誘發(fā)管板及管頭的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，引起內(nèi)漏。因此，硫冷凝器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為提高管板柔性，降低管板對(duì)管頭的拘束度。文中針對(duì)末級(jí)硫冷凝器的內(nèi)漏問(wèn)題，探討了硫冷凝器管板改進(jìn)思路，并設(shè)計(jì)了剛性管板和柔性管板樣機(jī)，結(jié)合有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析，獲取不同結(jié)構(gòu)的承載特點(diǎn)。

1 硫冷凝器管板改進(jìn)思路

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的管板計(jì)算方法都是以彈性理論為基礎(chǔ)的當(dāng)量實(shí)心板理論，故管板承載和剛度要素分析可參考當(dāng)量實(shí)心板理論，再根據(jù)需要選取相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論。

殼程筒體在殼程壓力作用下產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，并徑向膨脹，由于泊松效應(yīng)，筒體軸向收縮。管板在殼程側(cè)承受殼程壓力，殼程筒體和管束沿軸向伸長(zhǎng)，且換熱管在管外殼程壓力的作用下徑向收縮，在泊松效應(yīng)下軸向伸長(zhǎng)，并引起管板的局部彎曲變形。同時(shí)，由于換熱管溫度高于殼體溫度，產(chǎn)生軸向變形差，更加劇了管束的伸長(zhǎng)效應(yīng)。筒體與管板變形相互協(xié)調(diào)，會(huì)對(duì)管板周邊不布管區(qū)產(chǎn)生附加剪切力與彎矩，引起管板整體彎曲變形。此外，沿厚度方向管板溫度存在差異，也產(chǎn)生了附加的整體彎曲變形。

管板應(yīng)力水平受整體彎曲變形及局部彎曲變形聯(lián)合控制。整體彎曲變形受管板的彎曲剛度（管板厚度）、管束的支撐強(qiáng)度 （換熱管與管板剛度比）及管板周邊不布管區(qū)變形協(xié)調(diào)能力（筒體與管板連接方式）控制。局部彎曲變形則受換熱管管孔間距及管束的支撐強(qiáng)度控制。

在布管區(qū)，管板的彎曲剛度與自身厚度的三次方成正比，管束的支撐強(qiáng)度與換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)成正比，與管板厚度成反比。 現(xiàn)有研究表明［4-12］，在一定的邊界支撐條件下，當(dāng)換熱管支撐強(qiáng)度系數(shù)逐漸增大時(shí)，管板的撓度、彎矩等自周邊向中心衰減并呈波形分布。支撐強(qiáng)度系數(shù)越大，管板的撓度、彎矩等衰減越快、波數(shù)越多，但由于變形差異逐步擴(kuò)大，周邊彎矩有所提高。因此，減小管板厚度、提高換熱管支撐強(qiáng)度，有利于降低管板剛度并改善管頭拘束度。

在連接區(qū)，管板周邊不布管區(qū)的變形協(xié)調(diào)能力與其結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)。剛性管板周邊不布管區(qū)的力學(xué)模型為當(dāng)量環(huán)板結(jié)構(gòu)，剛度取決于環(huán)板與殼體的連接情況及環(huán)板厚度，連接形式通常介于固支與簡(jiǎn)支之間，剛度較高。因此，可采用膨脹節(jié)等類似的柔性結(jié)構(gòu)來(lái)顯著降低管板周邊剛度。

2 硫冷凝器管板樣機(jī)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證管板改進(jìn)思路的正確性，筆者分別設(shè)計(jì)、制造了剛性管板與柔性管板樣機(jī)各1臺(tái)，對(duì)2臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行壓力載荷下的應(yīng)力測(cè)試，量化二者的差異。

表1 管板樣機(jī)選材方案

最終確定的剛性管板樣機(jī)管板厚度60 mm，柔性管板樣機(jī)管板厚度18 mm，過(guò)渡段圓角半徑R=38 mm。2種管板樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 剛性管板樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 柔性管板樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 硫冷凝器管板樣機(jī)有限元數(shù)值分析

考慮結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，對(duì)管板建立1/4模型，換熱管、殼體取1/2設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。采用ANSYS軟件中的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID 185進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

分別建立剛性管板和柔性管板樣機(jī)模型，模型所用尺寸中厚度為名義厚度。在管板及殼體的對(duì)稱面施加對(duì)稱位移約束，在殼體及換熱管橫截面施加軸向位移約束。換熱管外表面、殼程筒體內(nèi)表面、管板殼程側(cè)表面施加殼程試驗(yàn)壓力載荷7.75 MPa。

有限元分析得到的剛性管板樣機(jī)模型應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，柔性管板樣機(jī)模型應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。

圖3 剛性管板樣機(jī)模型應(yīng)力云圖

分析圖3、圖4可以看出，在相同的載荷條件下，采用柔性薄管板可滿足結(jié)構(gòu)的安全要求，且過(guò)渡段與殼體連接處的總體應(yīng)力由189.677 MPa下降為168.646 MPa，連接處剛度下降，與理論分析相符。

圖4 柔性管板樣機(jī)模型應(yīng)力云圖

依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）》［13］進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。 應(yīng)力線性化路徑的選取原則是［14-19］，分析構(gòu)件應(yīng)力強(qiáng)度最大位置、其它高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域及關(guān)注部位，并沿壁厚方向設(shè)定應(yīng)力線性化路徑。管板樣機(jī)應(yīng)力線性化路徑位置見(jiàn)圖5，各線性化路徑的應(yīng)力計(jì)算值見(jiàn)表2。剛性管板的路徑均處于所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上，柔性管板的路徑均處于Q245R和所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上。上述材料常溫下許用應(yīng)力均為148 MPa，局部薄膜應(yīng)力SⅡ和一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力SⅢ的許用極限為1.5KSm，耐壓試驗(yàn)工況下K=1.25，即SⅡ和SⅢ的許用極限為277.5 MPa。表 2中各計(jì)算應(yīng)力均小于許用極限，表明管板樣機(jī)模型結(jié)構(gòu)安全，樣機(jī)設(shè)計(jì)合理。

圖5 管板樣機(jī)應(yīng)力線性化路徑位置示圖

表2 管板樣機(jī)各線性化路徑應(yīng)力計(jì)算值 MPa

4 硫冷凝器管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布

管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布在3個(gè)區(qū)域，即布管區(qū)、布管區(qū)以外與殼體連接過(guò)渡部分以及殼體外壁。除管板中心位置外，所有測(cè)點(diǎn)均兩兩對(duì)稱布置，測(cè)點(diǎn)26～測(cè)點(diǎn)49均與其編號(hào)相差24的點(diǎn)對(duì)稱，如測(cè)點(diǎn)26與測(cè)點(diǎn)2對(duì)稱、測(cè)點(diǎn)49與測(cè)點(diǎn)25對(duì)稱。管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)試中不同區(qū)域應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6～圖10。

圖6 管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)總體布置

圖7 管板樣機(jī)右半?yún)^(qū)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖8 管板樣機(jī)左半?yún)^(qū)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖9 剛性管板樣機(jī)布管區(qū)外應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖10 柔性管板樣機(jī)布管區(qū)外應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

5 硫冷凝器管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

5.1 應(yīng)力測(cè)試與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比

剛性管板與柔性管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)試與有限元數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)表3。殼體上應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的z向應(yīng)力在表3中表示為x向。

表3 管板樣機(jī)應(yīng)力測(cè)試與有限元數(shù)值分析結(jié)果 MPa

分析表3，剛性管板的測(cè)點(diǎn)17、測(cè)點(diǎn)21、測(cè)點(diǎn)23和測(cè)點(diǎn)24，柔性管板的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)23的測(cè)試數(shù)據(jù)與其各自對(duì)稱點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)差異較大，與數(shù)值分析值差異也較大，應(yīng)為奇異點(diǎn)。其余測(cè)點(diǎn)的數(shù)值分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合。

在布管區(qū)，對(duì)柔性管板，除中心測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力偏高外，測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)6的應(yīng)力基本相當(dāng)。表明當(dāng)換熱管支撐強(qiáng)度系數(shù)較大時(shí)，減小管板厚度對(duì)承受機(jī)械載荷能力基本無(wú)影響，同時(shí)管板彎曲剛度下降明顯，可改善因管板剛度引起的對(duì)管頭的拘束度。這與管板改進(jìn)思路的判斷基本一致。

在連接區(qū)，2種管板的測(cè)點(diǎn)21～測(cè)點(diǎn)25的應(yīng)力差異較大，表明剛性管板的周邊約束高于柔性管板的，周邊彎曲應(yīng)力顯著提高。同時(shí)，管板過(guò)渡段x向測(cè)點(diǎn)16～測(cè)點(diǎn)20與相鄰布管區(qū)測(cè)點(diǎn)6的應(yīng)力存在明顯方向變化，且柔性管板數(shù)據(jù)高于剛性管板的，表明柔性結(jié)構(gòu)相比剛性結(jié)構(gòu)存在顯著變形，導(dǎo)致該部位彎曲應(yīng)力水平提高，但可補(bǔ)償換熱管與筒體變形差，改善管板與筒體連接結(jié)構(gòu)對(duì)管頭的拘束度。這也與管板改進(jìn)思路的判斷基本一致。

5.2 2種管板樣機(jī)對(duì)比

剔除奇異點(diǎn)后，取對(duì)稱點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)平均值，對(duì)2種管板樣機(jī)對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)及有限元數(shù)值分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

5.2.1 管板端面

（1）中心點(diǎn)（測(cè)點(diǎn) 1） 柔性管板的應(yīng)力水平主要取決于換熱管間距和周邊支撐。管板中心未布管，無(wú)換熱管拉撐，換熱管間距較大，其應(yīng)力高于其余布管區(qū)，應(yīng)力測(cè)試和數(shù)值分析均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。剛性管板的剛度較大，厚度較厚，中心應(yīng)力較小。中心位置的應(yīng)力測(cè)試與數(shù)值分析結(jié)果均表明，減小換熱管間距或增大管板厚度可有效降低管板應(yīng)力水平，且間距作用更為明顯。

（2）布管區(qū)域孔橋位置（測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)4） 布管區(qū)換熱管對(duì)管板的拉撐作用明顯時(shí)，管板厚度對(duì)應(yīng)力水平影響較小。管板厚度增大，應(yīng)力減小幅度有限。測(cè)試數(shù)據(jù)大于數(shù)值分析數(shù)據(jù)，與管板端面結(jié)構(gòu)不連續(xù)、存在焊接殘余應(yīng)力有關(guān)。

（3）布管周邊（測(cè)點(diǎn)5～測(cè)點(diǎn)6） 柔性管板剛度較小，周邊位置局部彎曲應(yīng)力較高，其徑向與周向應(yīng)力均高于剛性管板。

（4）過(guò)渡段（測(cè)點(diǎn) 16～測(cè)點(diǎn) 20） 過(guò)渡段 y向應(yīng)力為周向應(yīng)力，主要為薄膜應(yīng)力，剛性管板與柔性管板的應(yīng)力差異不大，測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)吻合性很好。過(guò)渡段x向應(yīng)力為徑向應(yīng)力，為薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力，以彎曲應(yīng)力為主，管程側(cè)表面為壓縮側(cè)，數(shù)據(jù)吻合性好。過(guò)渡段x向應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)的絕對(duì)值差異較大，這與設(shè)備組裝順序不同、過(guò)渡區(qū)存在預(yù)應(yīng)力有關(guān)。

5.2.2 殼體

在遠(yuǎn)離管板與殼體連接處，管板結(jié)構(gòu)對(duì)殼體應(yīng)力的影響比較小，殼體周向應(yīng)力受內(nèi)壓控制，應(yīng)力無(wú)差異。軸向應(yīng)力與換熱管、殼體及管板的剛度有關(guān)，應(yīng)力差異小。柔性管板結(jié)構(gòu)的殼體軸向應(yīng)力略小。

在靠近管板與殼體連接處，受邊緣效應(yīng)的影響，管板外圓面承受軸向附加彎矩。管板外圓面的軸向應(yīng)力為薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力，以彎曲應(yīng)力為主，管板外圓面為壓縮側(cè)。管板外圓面周向應(yīng)力相差不大。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)硫冷凝器內(nèi)漏問(wèn)題，探討了硫冷凝器管板改進(jìn)思路，設(shè)計(jì)了剛性管板與柔性管板樣機(jī)，建立了樣機(jī)有限元數(shù)值分析模型，對(duì)2種樣機(jī)進(jìn)行了有限元應(yīng)力數(shù)值分析和壓力載荷下的應(yīng)力測(cè)試。對(duì)比結(jié)果顯示，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果吻合性較好，表明數(shù)值分析模型簡(jiǎn)化合理，邊界條件設(shè)置正確，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，模型的簡(jiǎn)化方式和邊界條件設(shè)置可用于工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)值分析。管板端面應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果存在一定差異，主要由以下原因引起，①樣機(jī)制造完成后進(jìn)行了熱處理，管板存在初始變形，而且熱處理未能完全消除焊接殘余應(yīng)力。②管板端面結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力梯度大。③換熱管與管板實(shí)際采用的是角焊縫結(jié)構(gòu)，而數(shù)值模型中則簡(jiǎn)化為伸入管板部分換熱管與管板一體的結(jié)構(gòu)。