LNG多股流纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

于旺　秦留軍　梁成坡　李宏偉　趙斐

摘 要：大型鋁制纏繞管式換熱器因其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于天然氣液化裝置，由于結(jié)構(gòu)的獨特性，其預(yù)冷段下部受力較為復(fù)雜，而目前對這些關(guān)鍵部位的研究并不多。本文利用大型有限元分析軟件對換熱器預(yù)冷段的支撐結(jié)構(gòu)、下端管板及其周圍結(jié)構(gòu)在不同工況條件下進行了有限元分析，并對其進行應(yīng)力評定，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性較高。

關(guān)鍵詞：LNG；纏繞管；換熱器

中圖分類號：TH703 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0058-02

近年來纏繞管式換熱器以其結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)大、效率高、操作壓力高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于用于大型陸上天然氣液化工廠和大型FLNG液化裝置。根據(jù)管程介質(zhì)的多少，纏繞管式換熱器可以分為單股流型和多股流型，多股流型能夠?qū)崿F(xiàn)同時處理多種介質(zhì)的換熱。根據(jù)管板的位置和結(jié)構(gòu)，其有兩種典型的結(jié)構(gòu)：整體管板結(jié)構(gòu)和帶有小管板結(jié)構(gòu)，整體管板具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等優(yōu)點，但當殼程壓力過大和管程流股過多時，其厚度增加明顯，且給換熱管的纏繞、管路識別、管箱和管板的焊接等增加了困難；帶有小管板結(jié)構(gòu)的纏繞管式換熱器的最大優(yōu)點是不用整體鍛造管板，管板金屬質(zhì)量明顯減少，根據(jù)工藝要求其可以分布在封頭、筒體上。目前對LNG纏繞式換熱器的結(jié)構(gòu)分析多來于多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，特別是大型鋁制繞管式換熱器的設(shè)計、制造均存在一定技術(shù)瓶頸，對其進行研究具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對工信部“關(guān)于LNG繞管式換熱器制造關(guān)鍵技術(shù)研究”的科研項目中的纏繞管式換熱器，介紹了其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計過程。如圖1為FLNG液化工藝過程中的纏繞管式換熱器設(shè)備簡圖。

1 模型的有限元分析

1.1 計算模型材料及尺寸

在建立有限元模型前，對纏繞式換熱器設(shè)備進行簡化，未對換熱管建模，將管程壓力直接施加在管板孔內(nèi)壁上?？紤]到焊縫尺寸是焊縫焊透深度的函數(shù)，具有可變性，增加了有限元模型的復(fù)雜性，且對本研究影響不大，而是將焊縫材料看成與母材性質(zhì)一樣的材料來處理。

圖2為力學(xué)分析模型在LNG纏繞管式換熱器下段預(yù)冷段的最下部，其分析環(huán)境為預(yù)冷段換熱器的設(shè)計環(huán)境，因此分析溫度設(shè)為60℃。

表1是根據(jù)JB/T 4734-2002《鋁制焊接容器》查得的其物理性能參數(shù)。本文根據(jù)TSG 21-2016《固容規(guī)》中注3-3關(guān)于采用分析設(shè)計方法材料的許用應(yīng)力計算方法，以降低材料成本。采用分析設(shè)計的方法提高材料的許用應(yīng)力，對制造單位的制造能力、焊接質(zhì)量和檢測能力提出更高的要求，在設(shè)計的同時，對換熱管與管板的連接等重要部分進行試驗，且對重要的焊縫進行100%射線檢測，以保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.2 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格前對模型進行切分，得到比較規(guī)則的部分，劃分網(wǎng)格功能，對規(guī)則的筒體采用掃略方法，筒體厚度劃分為六層，對于不規(guī)則的部分采用四面體網(wǎng)格，筒體開孔、帶小管板筒體和支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域通過控制網(wǎng)格單元大小對其進行加密網(wǎng)格劃分，裙座和底板等不受內(nèi)壓作用可以適當放大網(wǎng)格單元大小以減少計算機負擔，提高計算效率。

1.3 載荷分析與考慮工況

因為結(jié)構(gòu)不具有對稱或軸對稱，需要對整個模型進行應(yīng)力分析和強度評定，這里所要考慮的載荷主要包括：殼程壓力、管程壓力、預(yù)冷段換熱器繞管體重量和除分析對象重量外整個LNG纏繞管式換熱器的重量。僅對以下三種工況進行分析：管程壓力單獨作用、殼程壓力單獨作用和管、殼程壓力同時作用，三種工況下都對裙座底板進行固定約束。

2 應(yīng)力分析結(jié)果與討論

2.1 管程壓力單獨作用

僅管程壓力作用時，管板Ⅰ、管板Ⅱ、管板Ⅲ、管板Ⅳ等的換熱管孔內(nèi)壁分別施加5.5MPa、3.7MPa、5.5MPa、3.7MPa的壓力，除建模部分外設(shè)備和介質(zhì)作用在筒體橫截面的軸向壓應(yīng)力為0.8447MPa，預(yù)冷段繞管體和管程介質(zhì)作用在中心筒的軸向壓應(yīng)力為3.8350MPa，管板Ⅰ、管板Ⅱ、管板Ⅲ和管板Ⅳ的凸肩截面軸向拉應(yīng)力分別為14.1086MPa、14.3158MPa、14.0223MPa和14.3465MPa。

按照第三強度理論得到應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖，管板、支撐結(jié)構(gòu)和中心筒鏈接區(qū)域、支撐結(jié)構(gòu)和筒體鏈接區(qū)域受力和變形較為嚴重，而其他結(jié)構(gòu)影響較小。最大應(yīng)力值是34.38MPa，出現(xiàn)在離管板Ⅱ內(nèi)側(cè)中心最近兩個換熱管孔之間，這是由于管板Ⅱ中心位置沒有換熱管孔，導(dǎo)致受力不平衡，而其他三個管板中心位置都布有換熱管孔?？傮w上受內(nèi)壓5.5MPa的管板Ⅰ和管板Ⅲ比受內(nèi)壓3.7MPa的管板Ⅱ和管板Ⅳ受力嚴重，且都是中部受力嚴重，向外圍逐步減弱。

最大位移值是0.321mm，發(fā)生在中心筒上，中心筒承載預(yù)熱段繞管體和絕大部分管程介質(zhì)的重量，且沒有施加殼程壓力，支撐結(jié)構(gòu)受力而擠壓中心筒導(dǎo)致其變形。

2.2 殼程壓力單獨作用

僅殼程壓力作用時，殼程筒體內(nèi)表面受內(nèi)壓為2.5MPa，除建模部分外設(shè)備和介質(zhì)作用在筒體橫截面的軸向拉應(yīng)力為23.5456MPa，預(yù)冷段繞管體和管程介質(zhì)作用在中心筒的軸向壓應(yīng)力為3.8350MPa，封頭接管橫截面軸向拉應(yīng)力為0.9737MPa，開孔接管法蘭外表面軸向壓應(yīng)力為3.8349MPa。

按照第三強度理論得到應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力值是142.46MPa，發(fā)生在殼程筒體與接管鏈接處過渡圓角內(nèi)表面上，開孔接管造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。在接管與殼體的內(nèi)外相貫線上應(yīng)力水平較高，而離開孔接管區(qū)，應(yīng)力值較小。在開孔接管相貫區(qū)附近，應(yīng)力梯度很大。在封頭上開孔接管也出現(xiàn)稍微的應(yīng)力集中，同樣是發(fā)生在接管與封頭連接處內(nèi)表面，但是接管的外徑為85mm，相對較小，因此應(yīng)力集中程度很小。由于預(yù)冷段繞管體和管程介質(zhì)重力作用在中心筒和支撐結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)和筒體鏈接處與中心筒與支撐結(jié)構(gòu)連接處都出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，前者程度較為嚴重。另外，封頭、殼程筒體和裙座的焊接造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，但是裙座不受內(nèi)壓作用，因此在裙座受力不嚴重，而焊接位置附近封頭出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中。

按照相應(yīng)的位移云圖，最大位移值為1.73mm，出現(xiàn)在靠近接管側(cè)筒體上邊緣，開孔對筒體造成一定的損傷，導(dǎo)致這側(cè)筒體變形較大，在接管附近由于筒體受壓而變形較大，而厚度較大的管板反而對筒體的強度起到一定的加強作用。

2.3 管、殼程壓力同時作用

當管、殼程同時作用時按照第三強度理論得到應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力值是142.47MPa，根據(jù)相應(yīng)的位移分布云圖，最大位移值為1.7385mm。最大應(yīng)力位于在殼程筒體與接管鏈接處過渡圓角內(nèi)表面上，最大位移同樣位于在靠近接管側(cè)筒體上邊緣。同時施加管、殼程壓力，主要影響管板和筒體連接區(qū)域，對其他結(jié)構(gòu)影響不是很大，因此最大應(yīng)力和最大位移與殼程壓力單獨作用時變化并不大，而管板布管區(qū)、管板與筒體連接區(qū)域的應(yīng)力相對管程單獨作用時明顯增加。

2.4 應(yīng)力評定

參照JB/T 4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準》對分析對象中筒體開孔接管、支撐結(jié)構(gòu)與筒體連接部分、管板與筒體連接部分、管板等的組合應(yīng)力進行分類評定，筒體開孔接管、支撐結(jié)構(gòu)與筒體連接部分、管板與筒體連接部分等區(qū)域由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)而導(dǎo)致應(yīng)力集中，主要是彎曲應(yīng)力，其組合應(yīng)力可按二次應(yīng)力進行評定，管板的應(yīng)力主要是由壓力引起的，可按一次應(yīng)力進行評定。

從以上三個工況下應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，管程壓力、殼程壓力單獨作用時最大應(yīng)力的位置和兩程壓力同時作用時基本一致，且沒有后者應(yīng)力大，各部件材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=83MPa，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強度的許用極限1.5[σ]t=124.5MPa，一次加二次應(yīng)力強度的許用極限3[σ]t=249MPa，從表評定結(jié)果可以看出管板及各部件連接處的應(yīng)力滿足強度要求。

3 結(jié)語

本文通過對LNG纏繞管式換熱器的關(guān)鍵部位進行建模和力學(xué)分析，并在殼體壓力單獨作用、管程壓力單獨作用和管殼程壓力同時作用等三種工況分別對其進行力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果并對兩程壓力同時作用工況進行應(yīng)力評定，其滿足強度設(shè)計要求。

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