賽鼎工程有限公司 太原 030032

廢熱回收器作為一種熱能回收的重要設(shè)備，在化工行業(yè)里得到越來越廣泛的應(yīng)用。偏心布管固定式撓性管板結(jié)構(gòu)作為廢熱回收器的典型結(jié)構(gòu)，常常處于苛刻的操作條件下，其主要具有以下特點(diǎn)：①撓性管板有柔性，除了承受內(nèi)壓外，還能減小管板厚度方向的溫差載荷，平衡管束和殼體之間的膨脹差，減小管板邊緣的局部應(yīng)力；②管板薄，有效換熱管長度增加，提高了熱效率；③節(jié)省了原材料，減輕了設(shè)備重量，容易制造加工，成本較低。

目前國內(nèi)撓性管板的設(shè)計計算主要有兩種方法：①以西德AD規(guī)范發(fā)展而來的拉撐平板假想圓法(GB/T 151-2014[1]附錄M)，此法考慮了換熱管對管板的加強(qiáng)作用，將每根管子作為支撐點(diǎn)，將管板視作許多支撐作用下的拉撐平板，考察其最大無支撐區(qū)的平板強(qiáng)度及換熱管拉脫力，但此法按標(biāo)準(zhǔn)要求，存在諸多局限；②有限元應(yīng)力分析法，通過建立合理的有限元分析計算模型，可以解決結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的復(fù)雜問題，克服單純采用數(shù)值計算方法導(dǎo)致的無法確定詳細(xì)邊界條件的難題，能較全面地反映撓性管板的真實情況。

本文以某臺廢熱回收器的撓性薄管板為例，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件探索撓性管板分析設(shè)計的工程應(yīng)用方法，并通過多次計算比對，為撓性管板設(shè)置了合理的拉撐桿方案；最后，對撓性管板在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下的安全性進(jìn)行有限元應(yīng)力分析評價。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

設(shè)備基本參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備基本參數(shù)

計算時要用到的材料彈性模量、許用應(yīng)力、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等按JB4732-1995(2005年確認(rèn))[2]及GB/T 151-2014標(biāo)準(zhǔn)查取，此處不再羅列。

換熱過程：工藝氣從N1口進(jìn)入經(jīng)換熱管內(nèi)從N2出，鍋爐給水從N3噴淋進(jìn)入與換熱管換熱產(chǎn)生蒸汽從N4口出。其結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1。

2 有限元模型

根據(jù)本設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，取管板圓周的1/2，殼體長度的1/2，即建立包含殼體、管板和換熱管的三維實體有限元模型。為便于建模和求解，對有限元模型進(jìn)行了少量簡化處理：① 忽略換熱管伸出管箱端面的長度，認(rèn)為換熱管與管板緊密貼合，且不考慮二者的接觸問題；② 忽略焊縫、結(jié)構(gòu)和流體自身重力、管箱和殼體工藝開孔等對應(yīng)力分布的影響；③ 假設(shè)材料符合各向同性、線彈性及小變形規(guī)律，且認(rèn)為焊縫材料與母材相同。結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖2。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 結(jié)構(gòu)的三維有限元模型

3 傳熱分析

由于管板是左右各1塊，溫度邊界不同(左右管板介質(zhì)溫度情況示意見圖3)，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，由于 N1側(cè)管板的高溫接觸面使用了耐熱材料，所以高溫對管板影響很??；比較而言N2側(cè)管板溫度高且溫差大，所以模型計算中按N2側(cè)的邊界條件進(jìn)行。(此處忽略簡易的傳熱比較計算)換熱管的溫度邊界為管內(nèi)工藝氣邊界(平均溫度Tm及傳熱系數(shù)αh)，管外鍋爐水蒸汽邊界(平均溫度tm及傳熱系數(shù)αc)，忽略了換熱管的軸向溫度梯度，但總體熱效應(yīng)并未改變；殼程筒體溫度邊界為內(nèi)部鍋爐水蒸汽邊界(平均溫度tm及傳熱系數(shù)αc)，外部為絕熱(有良好保溫，不受外部環(huán)境影響)。管板溫度分布按圖3中N2側(cè)相應(yīng)參數(shù)輸入ANSYS軟件中,采用熱分析Solid70單元進(jìn)行溫度場模擬計算，得出圖4所示的溫度分布圖。(本文溫度邊界為工程應(yīng)用的近似處理方法，較為精確的溫度邊界條件可采用CFD流體分析的方法而求得)。

圖3 管板的溫度情況及參數(shù)示意

圖4 結(jié)構(gòu)的溫度場分布

從圖4可以看出，由于撓性管板薄，且工藝氣傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于鍋爐水的傳熱系數(shù)，因此管板上的溫度梯度并不大，且更接近于水側(cè)；非布管區(qū)及殼側(cè)筒體因為只和鍋爐水接觸且外部有良好保溫，所以長期穩(wěn)定運(yùn)行時，其壁溫基本等于水側(cè)介質(zhì)溫度。上述溫度場分布結(jié)果完全符合實際情況。

4 應(yīng)力分析

按GB/T 151-2014的工況組合，換熱器應(yīng)計算6種工況。本文計算了4種較為危險的操作工況，見表2。

表2 計算工況

所有載荷工況的約束條件均是：在模型的YZ面及換熱管、筒體端面(模型為1/2)施加對稱約束。將模型按各工況邊界條件加載，運(yùn)用 ANSYS求解器求解，4種工況計算后的局部區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖見圖5。從云圖可知，非布管區(qū)應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到504.8MPa，且出現(xiàn)較大變形，因此現(xiàn)有設(shè)計不合理，應(yīng)在非布管區(qū)增加拉撐桿以增強(qiáng)非布管區(qū)的承壓能力。(此時布管區(qū)的應(yīng)力分布已無意義，所以圖5中未顯示)

圖5 4種工況的應(yīng)力分布云圖

5 帶拉撐桿撓性管板的應(yīng)力分析

從上述分析結(jié)果可知，必須為撓性管板增加拉撐桿結(jié)構(gòu)，拉撐桿部分使用線模型Beam188單元的圓柱形截面模擬實體拉撐桿，拉撐桿端面與管板面按MPC技術(shù)進(jìn)行綁定，其余部分同上節(jié)。加拉撐桿后的分析模型見圖6。

圖6 帶拉撐桿結(jié)構(gòu)的三維有限元模型

傳熱分析和應(yīng)力分析采用和第3節(jié)、第4節(jié)的相同方法進(jìn)行，此處不再贅述。計算后的綜合應(yīng)力分布云圖見圖7。

工況1中，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在管板非布管區(qū)、上部拉撐桿以及管板邊緣與殼體連接處，管板的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在上部拉撐桿之間的空白區(qū)域,拉撐桿的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在上部拉撐桿第一排的第一根位置,換熱管較大應(yīng)力區(qū)主要是最邊緣的換熱管；工況2中分布情況和工況1基本相同；工況3中，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在某一邊緣換熱管與管板連接處，整個結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在拉撐桿和換熱管中間的空白區(qū)且靠近換熱管，非布管區(qū)中較大應(yīng)力主要還是發(fā)生在拉撐桿范圍內(nèi)；工況4中，較大應(yīng)力主要集中在布管區(qū)內(nèi)，因為當(dāng)壓力很小時，溫差應(yīng)力會占主導(dǎo)，所以體現(xiàn)出與工況3不同的分布。

圖7 4種工況的拉撐撓性管板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

6 應(yīng)力評定

6.1 對管板的評價

為了對結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力狀況作出評價，需對以下路徑作出應(yīng)力評定：①路徑1：管板上布管區(qū)最大點(diǎn)處沿管板厚度方向；②路徑2：管板上非布管區(qū)拉撐桿處沿管板厚度方向；③路徑3：管板邊緣加厚處沿厚度方向；④路徑4：筒體與管板端部連接處沿筒體厚度方向。評定結(jié)果見表3。

評價結(jié)果表明，整個管板(包括與殼體的連接處)均滿足強(qiáng)度要求。

6.2 對換熱管拉脫力及壓應(yīng)力的評價

需要評定的力有：①工況1，工況2下的換熱管、拉撐桿與管板連接的拉脫力；②工況3，工況4下的換熱管及拉撐桿的壓應(yīng)力。提取ANSYS軟件中換熱管和拉撐桿的最大軸向力Fz(N)列于表4。然后按GB/T151-2014中相關(guān)公式計算拉脫力、軸向力及評定標(biāo)準(zhǔn),詳見表5、表6。

評價結(jié)果表明，換熱管與管板接頭、拉撐桿與管板接頭以及換熱管和拉撐桿自身均滿足強(qiáng)度要求。

表3 按路徑各工況的評定結(jié)果

表4 各工況最大軸向力(正為拉，負(fù)為壓) (N)

表5 各工況拉脫力 (MPa)

表6 各工況各截面軸向力(正為拉，負(fù)為壓)(MPa)

7 結(jié)語

對于常規(guī)的中心布管的管板，常規(guī)設(shè)計和分析設(shè)計方法均對其有比較深入的研究。但因為偏心布管并不符合GB151計算模型，應(yīng)力分布總體也不符合中心對稱的規(guī)律，會造成管板一側(cè)應(yīng)力比另一側(cè)大的多的情況，所以本文對其進(jìn)行了探討，掌握了其應(yīng)力分布規(guī)律，為拉撐桿的設(shè)置提供了依據(jù)。

常規(guī)計算中，機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力計算是通過理論分析和經(jīng)驗總結(jié)各自單獨(dú)考慮，然后對應(yīng)力進(jìn)行加減。這種方法對于有較明顯變形規(guī)律或者較大變形的區(qū)域是可以適用的，但是對于連接區(qū)、邊角區(qū)域等薄弱區(qū)域并不完全適用。所以本文研究了在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下及單獨(dú)作用下，各區(qū)域的應(yīng)力情況。結(jié)果證明，合理的設(shè)計能有效降低溫差，能完全避免溫差應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的破壞。

對于偏心布管撓性管板的空白區(qū)域，由于管板較薄，雖然能有效克服溫差應(yīng)力，但是承受壓力的能力卻比較弱，所以需要用拉撐桿固定。本文通過反復(fù)計算，最終確定了合理的拉撐桿布置方案，使薄管板擁有了耐高壓的能力；也證明了薄管板上拉撐桿的布置對管板、換熱管乃至整個設(shè)備的安全起到?jīng)Q定性的作用，因此在設(shè)計中應(yīng)充分重視拉撐桿的布置方案。

最終，對各區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行了評價，證明設(shè)置拉撐的方案滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，保證了設(shè)備在使用中的安全運(yùn)行。