废热锅炉挠性管板的有限元分析与安全评定

夏 宁，李艳艳，黄志国

(1.山东三维石化工程股份有限公司，山东 青岛 266071；2.承德石油高等专科学校，河北 承德 067000)

废热锅炉是硫磺回收装置中的重要设备之一，通过废热锅炉不但可以对高温工艺气体进行冷却，又可以回收高温工艺气体的热能产生蒸汽。而管板又是废热锅炉的重要承压元件之一[1]，热别是高温工艺气体入口端的管板，既要承受高压，又要经受高温介质的作用，工作条件非常苛刻。笔者对废热锅炉高温段的挠性管板进行有限元分析及安全评定。

1 管板设计参数

某企业废热锅炉管板材质为14Cr1MoR，壳体材质为Q345R，换热管材质为N08800，管板采用带圆弧过渡的挠性管板结构，管板与壳体通过削边后焊接连接(见表1和表2)。换热管采用正三角形排列[2]。

2 管板分析过程

2.1 有限元模型的建立

根据管板的结构特点，有限元模型作如下简化(见图1)：

1)根据结构的对称性及承载特性，有限元模型取该换热器管板及换热管周向的1/4以及轴向1/2为研究对象。

表1 设计参数

表2 材料性能参数

2)假设管板与换热管为全焊透结构，认为两者结合紧密，不考虑接触问题。

2.2 单元的选取

温度场分析采用8节点六面体热分析单元Solid70，应力场析采用8节点六面体结构分析单元Solid185，两者能相互转化，并且具有退化功能，便于生成复杂的网格，适用于该模型。

2.3 边界条件

2.3.1 温度场边界条件的确定

在管程侧管板表面施加对流换热系数72 W/(m2·℃)及温度1 065 ℃。在换热管内表面施加对流换热系数72 W/(m2·℃)，温度按照T=83.97Y+1 062.7 ℃施加。在壳体内表面、壳程侧管板表面施加对流换热系数1 733 W/(m2·℃)以及温度260.6 ℃。在换热管沿壳程方向伸出管板部分的外表面施加对流换热系数12 287 W/(m2·℃)以及温度260.6 ℃。

2.3.2 结构分析的边界条件

1)位移边界条件[3]：在壳程筒体轴向对称截面处约束Y向位移(即沿换热管长度方向)；在结构另外两个对称面上施加对称边界条件，即这些面上的法向位移为零。

2)载荷边界条件：换热管内表面施加管程压力，外表面施加壳程压力；管板两侧分别施加管程和壳程压力；壳程筒体内表面施加壳程压力；同时将热分析所得到的节点温度作为体积载荷施加到对应的节点上。

3 分析计算结果

3.1 温度场分析

对此换热器进行稳态热分析，此换热器的最高温度为388.586 ℃。管板以及换热管伸入管板的位置温度梯度最大，如图2所示。

3.2 结构分析

结构分析时，首先将温度场分析所得到的节点温度施加到每个节点上，再施加位移边界条件，得到仅有温差引起的热应力，通过计算，热应力为363 MPa。再施加载荷边界条件内压等，得到该模型热-结构耦合场的应力强度云图，如图3所示。

从上图可知，应力强度的最大值为319 MPa，发生在外圈换热管的管板处，管板圆弧过渡处内表面应力也比较高。

3.3 应力评定

在最大应力点处沿壁厚方向穿路径Path1，在管板圆弧过渡内表面定义Path2，根据JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》对计算结果进行应力分类与评定[4](见表3)。

4 结论

1)应用有限元软件ANSYS对该废热锅炉管板进行应力分析，根据JB4732对应力分析结果进行评定[4]。结果表明，该废热锅炉挠性管板管板上各部位均满足校核条件，故此挠性管板废热锅炉是安全可靠的。

表3 应力评定

2)使用有限元方法可以准确地计算出温度场分布及温差应力。由结果可知，由温差产生了较高的热应力，增加管板的转角半径R值，可以部分地补偿换热管管束与壳体因温差变形不一致而产生的热应力。

3)在进行热结构耦合应力分析时，废热锅炉挠性管板的最大应力值出现发生在外圈换热管的管板处，管板圆弧过渡处内表面应力也比较高。为减小该部位的应力，在换热器布管时应尽量均匀布管，避免单根换热管过于接近管板边缘圆弧过渡区。