高壓撓性薄管板的計(jì)算

張賢福

(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇南京 211112)

0 引言

乙烯、丙烯等不飽和烯烴是生產(chǎn)各種重要有機(jī)化工產(chǎn)品的原材料，目前以管式爐裂解技術(shù)最為成熟，其原理是讓石油系的烴類和蒸汽的混合物通過裂解爐管，在通過爐管這段很短的時(shí)間內(nèi)，將混合物料加熱至高溫，一般為800～900℃左右，在高溫下，石油系烴類會(huì)發(fā)生裂解，生成乙烯、丙烯等不飽和烯烴。這些烯烴在高溫下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生二次反應(yīng)，所以必須將其迅速冷卻，文中探討的薄管板式急冷換熱器就是用來快速冷卻這些裂解后的混合氣體(簡稱裂解氣)的。在該急冷換熱器中，裂解氣走管程，冷卻水走殼程，殼程壓力高達(dá)12 MPa。若按GB 151—1999進(jìn)行計(jì)算，管板很厚，但管板又直接面對(duì)高溫裂解氣的沖刷，若厚度太厚，管板不能被殼程冷卻水充分冷卻，在高溫沖刷下，管頭會(huì)很快磨損失效，所以選擇了撓性薄管板結(jié)構(gòu)。因撓性薄管板的管板較薄，殼程的冷卻水能夠?qū)ζ溥M(jìn)行快速冷卻，管板的實(shí)際工作溫度接近于殼程溫度，力學(xué)性能得以提高，設(shè)備使用周期能得到延長。除了上述優(yōu)勢(shì)外，采用薄管板還有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)管板與筒體采用折邊連接，該折邊產(chǎn)生一定的彈性變形，能部分補(bǔ)償殼體和換熱管的熱膨脹差，使換熱管和殼體的溫差應(yīng)力減小，同時(shí)也減小了管板邊緣的應(yīng)力集中;

(2)厚度減薄，節(jié)省了材料成本［1］。

文中對(duì)薄管板的計(jì)算方法進(jìn)行了一些對(duì)比和探討。

1 計(jì)算方法的選擇

折邊撓性薄管板的一般結(jié)構(gòu)見圖1。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中無相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)要求，因此選擇什么方法對(duì)該管板進(jìn)行初始設(shè)計(jì)就成了一個(gè)討論點(diǎn)。

圖1 撓性薄管板結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)設(shè)計(jì)壓力≤6.4 MPa時(shí)，該結(jié)構(gòu)型式的折邊撓性薄管板可以按SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算;當(dāng)設(shè)計(jì)壓力＞6.4 MPa時(shí)，該折邊撓性薄管板無論按鍋爐，還是按壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法均無標(biāo)準(zhǔn)，所以只能采用國外標(biāo)準(zhǔn)或應(yīng)力分析，國外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有英國的BS 2790《焊接結(jié)構(gòu)鍋殼式鍋爐設(shè)計(jì)制造規(guī)范》，德國的AD 2000規(guī)范及歐洲的EN 12953《鍋殼鍋爐》等。但根據(jù)文獻(xiàn)［2］中所述，GB/T 16508—1996［3］中有壓力限制，并不是公式在理論上不適用，而是考慮當(dāng)時(shí)的蒸汽壓力不高，并且 GB/T 16508，SH/T 3158—2009［4］及EN 12953［5］都注明:當(dāng)設(shè)計(jì)壓力超過標(biāo)準(zhǔn)壓力上限時(shí)，通常認(rèn)為有必要進(jìn)行附加的設(shè)計(jì)分析、檢驗(yàn)和測(cè)試。這是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)考慮了鍋殼式鍋爐中的不帶折邊管板與筒體連接焊縫處的應(yīng)力較大，一般采用應(yīng)力分析法進(jìn)行校核。因此，如果使用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以使用SH/T 3158對(duì)該薄管板進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)計(jì)算;使用國外標(biāo)準(zhǔn)，可以使用英國的 BS 2790［6］、德 國 的 AD［7］規(guī) 范 及 歐 盟 的EN 12953(現(xiàn)已取代BS 2790)。以下應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出一些工程應(yīng)用方面應(yīng)該注意的問題。

2 高壓撓性薄管板計(jì)算示例

2.1 示例計(jì)算模型

該換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，布管形式如圖3所示。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，各部分材質(zhì)及力學(xué)性能如表2所示。

圖2 換熱器結(jié)構(gòu)示意

圖3 換熱器布管圖

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 換熱器各部分材質(zhì)及力學(xué)性能

2.2 參照SH/T 3158—2009進(jìn)行預(yù)計(jì)算

管板計(jì)算的假想圓如圖4所示。

圖4 管板計(jì)算的假想圓

SH/T 3158—2009中計(jì)算管束區(qū)以內(nèi)、以外管板最小需要厚度按下式計(jì)算:

式中 δmin——管板最小需要厚度，mm

k——系數(shù)，根據(jù)換熱管對(duì)管板的支撐形式，查SH/T 3158表11獲得k=0.35

dJ——假想圓直徑，mm，通過作圖獲得(見圖4)

p——計(jì)算壓力，MPa

［σ］t——許用應(yīng)力，等于基本許用應(yīng)力乘以SH/T 3158的應(yīng)力修正系數(shù)，［σ］t=0.85 ×158.8=135.0 MPa

C——厚度附加量(文中僅探討計(jì)算方法，厚度附加量取0)

故根據(jù)式(1)計(jì)算得管板最小需要厚度:

δmin=13.1 mm

2.3 根據(jù)AD規(guī)范計(jì)算

為充分發(fā)揮換熱管對(duì)管板的加強(qiáng)作用，德國AD規(guī)范提出只需考慮非布管區(qū)及布管區(qū)與非布管區(qū)交界處的強(qiáng)度，將管子作為固定支撐，即將管板視作管子固定支撐下的平板，計(jì)算其最大無支撐區(qū)的平板強(qiáng)度。據(jù)此建立的管板厚度公式為:

式中 δ1——管板厚度，mm

d2——非布管區(qū)所能畫得最大外接圓直徑，mm

Pa——管板計(jì)算載荷，MPa

根據(jù)式(2)計(jì)算得管板厚度:

δ1=13.8 mm

2.4 根據(jù)EN 12953計(jì)算

EN 12953的計(jì)算公式如下:

式中 ech——管板厚度，mm

C4——常數(shù)，查得:C4=0.33

b——假想圓直徑，mm，通過作圖獲得(見圖4)

y——系數(shù)，y=1.1

Pc——計(jì)算壓力，MPa

f——許用應(yīng)力，MPa

根據(jù)式(3)計(jì)算得管板厚度:

ech=12.5 mm

2.5 應(yīng)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析校核計(jì)算

以上按各標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的管板厚度見表3。

表3 按各種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的管板厚度

運(yùn)用ANSYS 10.0對(duì)管板進(jìn)行應(yīng)力分析核算，將各標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算的管板厚度圓整至14 mm，將管箱法蘭看成是一個(gè)剛性環(huán)，忽略法蘭連接接觸面的影響，取設(shè)備的1/4建模，換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，分析結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型見圖5。分析模型采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid 45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖6示出了分析結(jié)構(gòu)劃分單元網(wǎng)格后的有限元模型。整個(gè)模型共73489個(gè)節(jié)點(diǎn)，43949個(gè)網(wǎng)格單元。

圖5 分析結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

圖6 分析模型單元網(wǎng)格

換熱器承受的載荷主要有設(shè)備內(nèi)壓及管殼程溫差應(yīng)力，文中研究的設(shè)備，管程壓力很小，主要載荷為殼程壓力及溫差應(yīng)力，通過對(duì)管程單獨(dú)受壓、殼程單獨(dú)受壓、管殼程同時(shí)受壓及管殼程同時(shí)受壓加溫差應(yīng)力這4種工況均進(jìn)行了分析，結(jié)果以管殼程同時(shí)受壓外加溫差應(yīng)力最為苛刻，因此這里僅將該種載荷工況下的計(jì)算結(jié)果列出。

當(dāng)管板厚度為14 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力云圖見圖7?？梢钥闯觯畲髴?yīng)力位置出現(xiàn)在薄管板的圓弧過渡區(qū)域。管板圓弧過渡區(qū)處在換熱管束與筒體連接的部位，由于換熱管束和筒體的軸向剛度很大，內(nèi)壓和溫差載荷造成換熱管和筒體之間的相對(duì)變形量大部分轉(zhuǎn)嫁到管板圓弧過渡區(qū)，在此處造成高應(yīng)力分布。

圖7 Tresca應(yīng)力云圖(管板厚度14 mm)

這里取兩處位置對(duì)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，一處在管板中心;一處穿過最大應(yīng)力點(diǎn)(在管板與筒體連接的過渡圓弧區(qū))，線性化處理位置見圖8。對(duì)于1－1位置，PL=90.96 MPa＜Sm=158.8 MPa，PL+Pb=116.2 MPa ＜1.5Sm=238.2 MPa，評(píng)定合格［8］;對(duì)于 2 －2 位置，PL=110.8 MPa＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb+Q=577.4 MPa ＞ 3Sm=476.4 MPa，應(yīng)力校核不合格。

圖8 應(yīng)力線性化位置(管板厚度14 mm)

將管板厚度提高到20 mm，再次進(jìn)行分析計(jì)算，所得的Tresca應(yīng)力云圖如圖9所示，應(yīng)力線性化位置如圖10所示。對(duì)于1－1位置，PL=82.02 MPa＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb=135.9 MPa ＜1.5Sm=238.2 MPa，評(píng)定合格;對(duì)于 2 －2 位置，PL=87.73 MPa ＜ Sm=158.8 MPa，PL+Pb+Q=456.2 MPa ＜3Sm=476.4 MPa，應(yīng)力校核合格。

圖9 Tresca應(yīng)力云圖(管板厚度20 mm)

圖10 應(yīng)力線性化位置(管板厚度20 mm)

3 結(jié)論

(1)布管區(qū)管板厚度按 SH/T 3158—2009、AD規(guī)范及EN 12953計(jì)算，強(qiáng)度滿足要求，應(yīng)力分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

(2)轉(zhuǎn)角處因受力復(fù)雜，且屬于撓性支撐，標(biāo)準(zhǔn)公式無法考慮這些因素［9－10］，需要使用應(yīng)力分析軟件對(duì)這些部位進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，只有取約等于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算厚度的1.5倍左右，應(yīng)力評(píng)定方能通過。

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［4］ SH/T 3158—2009，石油化工管殼式余熱鍋爐［S］.

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［6］ BS 2790:1992，Specification for Design and Manufacture of Shell Boilers of Welded Construction［S］.

［7］ AD 2000 CODE，Technical Rules for Pressure Vessels［S］.

［8］ JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))［S］.

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