王 強，柯展煌，鄧 科，翟黎明，王 江，王炯銘，季敏東

(1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.國電泉州熱電有限公司，福建 泉州 362804)

0 引言

在太陽能光熱、儲能、供熱等冷熱介質溫差較大的場合，通常采用新型的發(fā)夾式換熱器[1]，此類換熱器的典型特征是管束和殼體均為U形結構，熱膨脹時管側和殼側均可自由伸縮，自身具備良好的溫差補償效應；熱端和冷端分別采用獨立的管板，管板受力情況得到改善；采用單殼程結構，實現(xiàn)全逆流換熱，換熱效率高。特別適用于高溫、高壓、大溫差的場合，實現(xiàn)了換熱器的深度換熱，具有十分廣闊的市場應用前景。

在實際運行中，由于機組頻繁啟停及快速變負荷等各種復雜瞬態(tài)工況，換熱器承受較大的熱沖擊，長期承受各種瞬態(tài)交變載荷，當波動幅度超過疲勞極限時，將會產(chǎn)生疲勞損傷。尤其是冷態(tài)啟停工況，溫升速率較快時，將會在短時間內(nèi)對管板等關鍵部件產(chǎn)生強大的熱沖擊作用，使其局部產(chǎn)生很高的熱應力，造成設備損傷。因此，研究發(fā)夾式換熱器的瞬態(tài)特性，掌握其熱應力隨溫升速率變化規(guī)律及最大熱應力所處的位置，為設計優(yōu)化和用戶運行提供指導，具有重要的意義。

目前，傳統(tǒng)U形管式換熱器[2]及固定管板式換熱器[3-5]的瞬態(tài)特性已有大量的研究，發(fā)夾式換熱器由于結構新穎，其瞬態(tài)特性的研究極少。

1 研究對象

以某電廠供熱系統(tǒng)中發(fā)夾式換熱器為研究對象，冷態(tài)啟動時，殼側處于空置狀態(tài)，從管側進行預暖。采用ANSYS有限元軟件對發(fā)夾式換熱器管板進行瞬態(tài)熱固耦合分析。先對管板進行瞬態(tài)熱分析，獲取管板在各工況下的溫度場，再將溫度場作為體載荷導入到瞬態(tài)結構中進行計算，根據(jù)耦合計算結果，了解熱應力隨溫升速率的變化規(guī)律及熱應力最大值所在位置，并進行疲勞壽命分析。

2 有限元模型及分析工況

2.1 換熱器幾何結構

某電廠供熱系統(tǒng)中的發(fā)夾式換熱器(見圖1)，為單管程、單殼程結構，管板與管側封頭及殼側筒身采用整體焊接形式。該換熱器包括熱端管板和冷端管板2塊管板，具體參數(shù)如表1所示。管板與換熱管采用焊接加脹接的連接方式。

圖1 發(fā)夾式換熱器外形圖

表1 換熱器設計參數(shù)

2.2 有限元分析模型

為減少計算工作量，進行如下簡化：忽略開孔接管的影響；由于冷態(tài)啟動時，管側初始階段蒸汽壓力較低，忽略壓力波動帶來的影響，將管側和殼側壓力均視為常壓；選取管板厚度最大的熱端管板進行建模分析；管板具有對稱性，取結構的1/4進行建模，對稱面上施加對稱約束，以管板厚度方向作為軸向，在堆焊層面層施加軸線約束，筒身長度為600 mm，大于邊緣效應值。模型(見圖2)采用20節(jié)點高階六面體單元Solid186和10節(jié)點高階四面體單元Solid187進行網(wǎng)格劃分，共計368 914個單元，932 865個節(jié)點。

圖2 有限元分析模型

2.3 分析工況

為充分研究該發(fā)夾式換熱器管板的抗熱沖擊能力，結合電廠實際運行情況，選取四組典型瞬態(tài)工況進行分析。四組工況中，溫升速率依次增大，分別為3℃/min，10℃/min，20℃/min，40℃/min，初始溫度均為25℃，總溫升120℃，由于溫升速率不同，升溫時間不同，其中工況一用時最長，需要2 400 s，工況四用時最短，僅需180 s。四組分析工況具體參數(shù)如表2所示。

表2 各工況參數(shù)

3 分析結果

3.1 管板溫度場

在瞬態(tài)熱分析模塊中，對上述工況進行瞬態(tài)熱分析，獲取各工況管板溫度場。如圖3所示，通過對比發(fā)現(xiàn)：工況一管板溫度分布最均勻，工況四最不均勻，溫升速率越快，管板不布管區(qū)沿厚度方向溫度梯度越大，分布越不均勻；除工況一外，其余工況管側半球形封頭內(nèi)壁薄層均出現(xiàn) “表皮熱效應”，且溫升速率越快，“表皮熱效應”越明顯，封頭壁厚方向溫度梯度越大；管板布管區(qū)由于吸熱較為均勻，溫差較小。

圖3 不同工況溫度場

3.2 管板應力分布

根據(jù)上述瞬態(tài)溫度場，將其作為體載荷導入到瞬態(tài)結構中進行耦合計算，得到的分析結果如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：所有工況中，最大應力值均出現(xiàn)在不布管區(qū)的管板堆焊層中，且隨溫升速率加快而迅速增大；管板與半球形封頭連接的轉角處，管板與殼側筒身連接的凹槽處，也出現(xiàn)了較高的應力，且隨溫升速率加快而增大。各工況最大應力值如表3所示。

圖4 不同工況應力分布

表3 各工況最大應力值

3.3 布管區(qū)分析

該發(fā)夾式換熱器采用正三角形排列布管，根據(jù)其布管對稱型，布管區(qū)采用簡化分析模型，網(wǎng)格整體加密，堆焊層及封口焊位置網(wǎng)格進一步加密，提高計算精度，模型四周設置為對稱邊界條件，堆焊層面層進行軸向限位約束，換熱管與堆焊層焊接部分設置為綁定接觸，脹接部分設置為摩擦接觸，并采用修正摩擦接觸系數(shù)，其余部分設置為無摩擦接觸。

在瞬態(tài)熱分析模塊中，對上述工況進行瞬態(tài)熱分析，獲取各工況溫度場，管板布管區(qū)由于吸熱較為均勻，溫差較小，如溫升速率最慢的工況一，溫差僅有0.13℃左右，溫升速率最快的工況四，溫差僅0.84℃左右，如圖5所示。

圖5 不同工況管口連接位置溫度場

根據(jù)上述瞬態(tài)溫度場，將其作為體載荷導入到瞬態(tài)結構中進行耦合計算，得到各瞬態(tài)熱應力，從中可以發(fā)現(xiàn)，在封口焊位置管內(nèi)壁薄層小范圍內(nèi)出現(xiàn)了很高的峰值應力。此外，通過對比發(fā)現(xiàn)，四種工況最大應力值相差較小，最大為739.28 MPa，最小為718.37 MPa，如圖6所示。

圖6 各工況封口焊位置應力分布

4 疲勞分析

根據(jù)上述分析結果，發(fā)現(xiàn)不同溫升速率工況下，管板應力最大值均出現(xiàn)在管板不布管區(qū)堆焊層，根據(jù)標準JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》中的規(guī)定，復合鋼板中因復層與基體金屬膨脹系數(shù)不同而在復層中引起的熱應力屬于峰值應力，峰值應力的特征是同時具有自限性與局部性，它不會引起明顯的變形。其危害性在于可能導致疲勞裂紋或脆性斷裂。

在循環(huán)加載條件下，當波動幅度超過疲勞極限時，設備的疲勞使用壽命取決于交變應力的幅度，波動幅度越大，設備使用壽命越短。根據(jù)JB 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》附錄C 規(guī)定：

Salt=0.5sr

(1)

修正后的值為：

(2)

經(jīng)過計算，工況一、工況二、工況三、工況四修正后的交變應力幅值分別為457 MPa、538 MPa、621 MPa、711 MPa。查詢材料設計疲勞曲線，上述交變應力幅值對應的疲勞使用壽命次數(shù)分別為2 500次、1 300次、900次、 440次。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制和擬合的疲勞壽命曲線如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫升速率不斷增加，設備疲勞使用壽命次數(shù)將急劇減少。

圖7 疲勞壽命曲線

上述分析僅考慮了熱應力帶來的影響，未考慮壓力波動等其余復雜因素，設備實際運行中，工作條件更為苛刻。

5 結論

1)熱應力最大值出現(xiàn)在管板不布管區(qū)堆焊層中，此處是整個管板最危險的位置。

2)在發(fā)夾式換熱器設計階段，管板不布管區(qū)域建議不進行堆焊處理，或者縮小堆焊范圍，可有效降低熱應力。

3)溫升速率對設備的疲勞使用壽命影響較大，溫升越快，使用壽命越短。

4)在實際運行過程中，建議用戶嚴格按照操作手冊的要求，控制啟動過程中溫升速率不大于3℃/min，停運過程中溫降速率不大于2℃/min，同時應盡可能減少冷態(tài)啟停次數(shù)。