硫磺回收裝置蒸汽過熱器集合管有限元分析

（山東三維石化工程股份有限公司青島分公司， 山東 青島 266071）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程不斷提速，現(xiàn)代工廠中的硫磺回收裝置不僅作為一個(gè)企業(yè)工藝流程的末端裝置，更成為大型煤化工、天然氣凈化、煉油及化工廠不可缺少的配套裝置。從硫磺回收裝置出來的尾氣在尾氣焚燒爐中燃燒，將殘留的H2S轉(zhuǎn)化為SO2，同時(shí)為蒸汽過熱器和尾氣余熱鍋爐提供熱量，最后將符合要求的尾氣通過煙囪排向大氣。蒸汽過熱器與尾氣焚燒爐的聯(lián)合使用，有效減少了尾氣中SO2的排放量，同時(shí)回收熱量，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境。

蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)中集合管與換熱管連接部位是最容易出問題的部位，本文利用ANSYS軟件，結(jié)合某石化裝置中蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)，建立了集合管以及三排相鄰的換熱管的三維有限元模型，并對其進(jìn)行了有限元分析，得出結(jié)論。

1 有限元模型的建立

蒸汽過熱器集合管以及換熱管的材質(zhì)均為12Cr1MoVG，材料屬性見表1，有限元模型選取SOLID185八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 主要材料特性

2 約束條件及載荷施加

集合管以及換熱管有限元模型的載荷邊界條件如下：

(1)在集合管內(nèi)表面、換熱管內(nèi)表面施加4.9MPa內(nèi)壓。

(2)集合管一端端面施加內(nèi)壓產(chǎn)生的等效軸向力。

(3)換熱管底部端面施加內(nèi)壓產(chǎn)生的等效軸向力。

集合管以及換熱管有限元模型的位移邊界條件為：在集合管另一端端面施加全約束。

3 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評定

計(jì)算后整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖見圖1，最大應(yīng)力強(qiáng)度為144MPa，發(fā)生在垂直方向換熱管與集合管內(nèi)表面連接處。局部放大圖如圖2所示。

為評定此處的應(yīng)力情況，過最大應(yīng)力點(diǎn)沿集合管壁厚方向定義路徑為1，在45°方向換熱管與集合管連接處在此位置最大應(yīng)力點(diǎn)處沿集合管壁厚方向定義路徑為2，在上述位置處應(yīng)評定一次局部薄膜應(yīng)力以及一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度。

圖1 開孔部位整體應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖2 開孔部位應(yīng)力局部放大圖

Path1、Path2的應(yīng)力線性化結(jié)果見圖3、圖4。表2為路徑Path1、Path2下的一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力的評定表。

圖3 路徑Path1的應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

圖4 路徑Path2的應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

表2 路徑Path1、Path2下的一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力的評定表Path1上的應(yīng)力強(qiáng)度評定

4 結(jié)論

應(yīng)用有限元軟件ANSYS對該部位進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)JB4732對應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行評定，結(jié)果表明，該集合管與換熱管的連接滿足校核條件，故此結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

結(jié)合管與換熱管焊接的部位是應(yīng)力比較大的部位，應(yīng)注意提高焊接質(zhì)量，選擇質(zhì)量優(yōu)良的制造單位。

集合管上的工藝管口應(yīng)盡量少，并盡量采用拔制結(jié)構(gòu)。