大型立式換熱器裙座大半錐頂角可靠性研究

胡興苗 張賢安 李禹平 李軍杰

鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司 （浙江寧波 315207）

隨著石油化工行業(yè)裝置生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，立式換熱器也日趨大型化，采用中間裙座的換熱器在國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛。NB/T 47041—2014《塔式容器》規(guī)定圓錐形裙座殼的半錐頂角不宜超過15°。在實(shí)際工程中：底部裙座與底封頭連接，裙座內(nèi)部空間大，人可以直接進(jìn)入，制造組裝、安裝檢修較為方便；而中間裙座與筒體連接，如果采用較小半錐頂角，則裙座與筒壁間隙過小，導(dǎo)致對裙座與筒壁之間堆焊結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)焊縫（圓角過渡）質(zhì)量的保證、熱處理之后的防腐施工及隔熱箱組焊、裙座內(nèi)側(cè)的保溫施工、在用壓力容器檢驗(yàn)等都會受到較大影響。因而采用中間裙座時半錐頂角往往會大于15°，如重整反應(yīng)器、PACKINOX板式換熱器等中間裙座的角度均超過15°。同時，有學(xué)者研究認(rèn)為中間裙座半錐頂角最大可達(dá)30°，如圖1所示[1]。因此，對半錐頂角變化下裙座的可靠性研究意義重大。

圖1 中間裙座

裙座可靠性分析主要從強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩方面著手。由于風(fēng)載、地震載屬于短期載荷，大型立式換熱器高徑比不大且裙座位于中間位置，因而不考慮風(fēng)載、地震載的影響。裙座與筒體處的連接是不連續(xù)結(jié)構(gòu)，所受載荷包括機(jī)械載荷及熱載荷，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)及溫度不均勻的影響下，應(yīng)力數(shù)值很大且分布復(fù)雜，依靠解析方法無法準(zhǔn)確計(jì)算該處的溫度及應(yīng)力分布。此外，還需對裙座進(jìn)行軸向載荷穩(wěn)定性計(jì)算。本研究借助ANSYS技術(shù)對某裝置中反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器在不同半錐頂角下的裙座結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，分別對半錐頂角為 10°、15°、25°、30°4 種結(jié)構(gòu)的裙座進(jìn)行求解分析。設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器設(shè)計(jì)條件

表1涉及標(biāo)準(zhǔn)為：NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》；GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》。

1 換熱器模型的建立

根據(jù)實(shí)際工況，按分析需求對換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡化，建立軸對稱模型，如圖2所示。建立4種不同結(jié)構(gòu)模型，其區(qū)別在于半錐頂角的大小不一，裙座高度、熱箱高度、裙座筒體厚度等均保持一致。

圖2 換熱器幾何模型示意圖

2 結(jié)構(gòu)熱分析

2.1 熱應(yīng)力

熱應(yīng)力會造成裙座與容器之間連接焊縫的開裂破壞，類似的案例在國內(nèi)外不少[2]。熱應(yīng)力計(jì)算主要分三種情況：一是筒體線性軸向溫度梯度引起的熱應(yīng)力，二是裙座中線性軸向溫度梯度引起的熱應(yīng)力，三是裙座中的非線性軸向熱梯度引起的熱應(yīng)力。為了減小裙座的溫差應(yīng)力，需要設(shè)置隔熱箱[3]來減小其溫度梯度，同時設(shè)置保溫層來隔絕熱量散失，并減小裙座厚度方向的熱應(yīng)力[4]。

2.2 基于ANSYS的穩(wěn)態(tài)熱分析

換熱器正常工作時溫度基本保持穩(wěn)定，因此采用穩(wěn)態(tài)熱分析。按操作溫度為424℃，設(shè)定筒體、熱箱、保溫層對流面邊界，以筒體端面和裙座底面為絕熱邊界，求解可得在操作工況下不同半錐頂角裙座的熱場分布，如圖3所示。由圖3可知，熱箱位置附近的裙座筒體溫度緩慢遞減。

2.3 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

基于熱分析，將熱場導(dǎo)入結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。設(shè)置材料的泊松比和彈性模量，同時加載設(shè)備內(nèi)壓與操作重量，對裙座底板進(jìn)行軸向約束，求解結(jié)果如圖4所示，局部放大圖如圖5所示。由圖4、圖5可知，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大位置均在堆焊尖角處，應(yīng)力場分布規(guī)律基本一致。

圖3 4種結(jié)構(gòu)溫度場云圖

2.4 強(qiáng)度分析

采用應(yīng)力分類法[5]進(jìn)行評判，對裙座進(jìn)行等效線性化處理，分析處理結(jié)果如下：

（1）熱應(yīng)力影響最大的位置在裙座與筒體的連接處，設(shè)置的熱箱、保溫層對裙座的熱應(yīng)力起到了降低作用且該位置的應(yīng)力峰值較大。

（2）對各結(jié)構(gòu)相同位置進(jìn)行路徑劃分，線性化計(jì)算可得各路徑的一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度（SⅠ）、一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度（SII）及一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度（SⅣ）均通過應(yīng)力評定且差值不大。

（3）在裙座厚度、熱箱高度及裙座高度一致的前提下，半錐角大小的改變對裙座強(qiáng)度影響不大。

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性求解概述

圖4 4種結(jié)構(gòu)應(yīng)力場云圖

對于中間裙座，除強(qiáng)度問題外，還需考慮其穩(wěn)定性問題。NB/T 47041—2014中規(guī)定圓錐形裙座殼的半錐頂角不宜超過15°，其目的在于控制受軸向力時臨界許用應(yīng)力值的大小。由標(biāo)準(zhǔn)可知該值與錐殼半頂角的余弦平方成正比，隨著錐殼半頂角的增大，臨界值將降低。采用ANSYS軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，為使求解真實(shí)可靠，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，同時考慮幾何非線性及材料非線性，如此也更易收斂[6]。

3.2 基于ANSYS的結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析

非線性屈曲分析的理論基礎(chǔ)是用一種逐漸增大載荷的非線性靜力學(xué)分析來求得結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷。以設(shè)備在穩(wěn)定工況下操作進(jìn)行分析，設(shè)置非線性材料、幾何結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)、載荷步長，施加相應(yīng)載荷值。計(jì)算出臨界載荷點(diǎn)，各結(jié)果云圖如圖6所示，局部放大圖如圖7所示。

結(jié)合載荷值與載荷步長，各結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表2所示。

圖5 4種結(jié)構(gòu)應(yīng)力場云圖（局部放大）

由表2可知，隨半錐頂角角度的增大，屈曲載荷因子逐漸減小，當(dāng)半錐頂角為30°時，屈曲載荷因子為18.3，有較大的余量。

4 結(jié)論

（1）在裙座厚度、熱箱高度及裙座高度一致的前提下，經(jīng)有限元求解，沿裙座自上而下分別取多個路徑起始點(diǎn)，并沿裙座厚度方向取路徑，采用應(yīng)力分類法進(jìn)行評定，可知各結(jié)構(gòu)相同位置路徑評定值相差不大，說明半錐角大小的改變對裙座強(qiáng)度的影響不大。

（2）半錐頂角變化與中間裙座能夠承受的軸向載荷有明顯的關(guān)聯(lián)，分析可得屈曲載荷因子隨角度的增大而減小。通過對屈曲載荷因子的比對，不難發(fā)現(xiàn)，屈曲載荷因子與錐殼半頂角的余弦平方近似于正比關(guān)系。

（3）通過非線性屈曲分析可知，當(dāng)錐殼半錐頂角為30°時，裙座在承載18.3倍的設(shè)備重量時才會失穩(wěn)，余量較大。因此，設(shè)計(jì)立式換熱器中間裙座時，錐殼半錐頂角可超過15°。

圖6 4種結(jié)構(gòu)屈曲分析云圖（放大3倍）

表2 裙座半錐頂角與屈曲載荷因子

圖7 4種結(jié)構(gòu)屈曲分析局部放大云圖