蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王 波，張 峻，陸春宏

（云南省化工研究院，云南 昆明 650228）

隨著人類社會的進(jìn)步和生產(chǎn)力發(fā)展，能源消耗越來越快，因此，可再生能源及可持續(xù)能源的利用顯得十分重要。我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%，而能源利用率僅為33%左右，至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。從另一角度，我國工業(yè)余熱資源豐富，余熱利用率提升空間大，被稱為“新能源”。采用蒸汽發(fā)生器回收余熱是提高能源利用率的重要手段，生產(chǎn)的高壓、中壓、低壓蒸汽或熱水，可用于工藝流程、管網(wǎng)供熱及發(fā)電等，節(jié)能效果顯著。

ANSYS大型通用有限元分析軟件是美國ANSYS公司研發(fā)，是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，包括有限元法、邊界元法、有限差分法等技術(shù)種類。其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣闊，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)化工反應(yīng)等。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在已是國際最流行的有限元分析軟件。隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展，軟件在機(jī)械及化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，通過建立合理的有限元分析計算模型，能夠解決特殊、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析問題，解決采用計算方法導(dǎo)致無法確定邊界條件的難題，同時可考慮具體運行過程中的影響因素，全面地反映其真實情況。蒸汽發(fā)生器是熱能回收系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，管板兩側(cè)壓力及溫度載荷較大，操作條件苛刻，其管板采用撓性薄管板特殊結(jié)構(gòu)。本文通過ANSYS軟件對管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合場（溫度場和應(yīng)力場）分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 簡述

某化工項目裝置工藝氣組成成份包含H2、N2、CO、CO2、CH4等。工藝氣入口溫度為730℃，壓力為2.9MPa。經(jīng)蒸汽發(fā)生器換熱后工藝氣的溫度從730℃降至320℃，副產(chǎn)5.0MPa的飽和中壓蒸汽。設(shè)備采用厚管板結(jié)構(gòu)，運行情況不好，運行一段時間后管板產(chǎn)生細(xì)小裂紋，初步分析是由于溫差應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致。以前有限元技術(shù)不成熟，未應(yīng)用到該領(lǐng)域，無法得知管板在工況載荷下的真實運行情況：何處應(yīng)力強度大，何處應(yīng)力強度小。現(xiàn)管板采用撓性薄管板結(jié)構(gòu)，高溫側(cè)工藝氣入口端的管板與換熱管連接處采用保護(hù)套管和澆注耐火材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。通過ANSYS對管板與換熱管連接處的溫度場分布進(jìn)行分析，基于溫度場的分布情況，對關(guān)鍵受壓元件（管板）進(jìn)行應(yīng)力場強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

2 蒸汽發(fā)生器設(shè)計參數(shù)

殼程筒體內(nèi)徑為φ2000mm，內(nèi)部介質(zhì)為水和飽和蒸汽；管程筒體內(nèi)徑為φ2200mm，內(nèi)部介質(zhì)為工藝氣；筒體和管板的腐蝕余量均為3mm；焊接接頭系數(shù)為1。

管程設(shè)計壓力3.6MPa，管程殼體材質(zhì)為14Cr1MoR；

殼程設(shè)計壓力5.5MPa，材質(zhì)為Q345R；

管程設(shè)計溫度 350℃，管板材質(zhì)為14Cr1MoⅢ；

殼程設(shè)計溫度290℃，換熱管材質(zhì)為SA213-T11。

3 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)模型

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸圖

管板結(jié)構(gòu)詳圖見圖2。

圖2 管板結(jié)構(gòu)圖

4 管板與換熱管連接處溫度場分析

工藝氣從入口進(jìn)入，隨溫度升高，耐火材料與管板、保護(hù)套管之間進(jìn)行導(dǎo)熱傳熱；隨著高溫工藝氣體向保護(hù)套管內(nèi)流動，與保護(hù)套管進(jìn)行對流換熱；而保護(hù)管與換熱管之間設(shè)計有一定間隙，兩者之間又進(jìn)行輻射換熱，因此管板與換熱管連接處的換熱比較復(fù)雜，該區(qū)域換熱是集導(dǎo)熱、對流、輻射于一體的換熱過程。

工藝氣入口處加載與實際工況相同的溫度載荷（730℃），換熱管外壁面加載與實際工況相同溫度載荷（263.5℃）。用ANSYS對管板與換熱管連接處進(jìn)行溫度場模擬，經(jīng)過對其溫度場的模擬分析計算，受壓元件管板的最高溫度值為325.75℃；受壓元件換熱管的最高溫度值為291.68℃；保護(hù)套管內(nèi)壁處溫度比較高，沿徑向溫度逐漸降低，以后區(qū)域溫度基本不變。管板與換熱管連接處溫度分布場詳見圖3。

圖3 管板與換熱管連接處溫度分布場圖

由于工藝介質(zhì)中含氫氣，而在高溫、高壓條件下,金屬材料易因吸收氫而導(dǎo)致塑性降低、性能惡化，造成多種形式的材料失效，如氫鼓泡、氫致脆性開裂、高溫氫腐蝕等[2]。故管程選擇具有抗氫腐蝕能力的金屬材質(zhì)。通過溫度分布場進(jìn)行模擬分析計算出管板和換熱管的最高溫度，根據(jù)管板和換熱管最高溫度值，管程設(shè)計溫度取350℃。管程材質(zhì)選擇抗氫腐蝕能力及抗高溫氧化能力比較好的鉻鉬鋼，管程殼體材質(zhì)選擇14Cr1MoR，管板材質(zhì)選擇14Cr1MoⅢ，換熱管材質(zhì)選擇SA213-T11[3]（鉻鉬鋼管），以上三種材質(zhì)使用溫度范圍均為20～550℃。

管板與換熱管連接處的溫度分布場模擬分析計算為管程殼體、管板及換熱管的選材提供依據(jù)，同時也為應(yīng)力分析時許用應(yīng)力Sm的取值提供依據(jù)。

5 應(yīng)力場分析

5.1 分析模型

5.1.1 幾何模型

在建立三維幾何模型時，考慮設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的對稱性，換熱管布管形式，建立1/4對稱幾何模型。左右管箱筒體沿軸向長度L取值大于2.5(Rt)0.5（R是筒體的平均半徑，t是該筒體的厚度）。根據(jù)圣維南原理，管箱筒體邊緣處應(yīng)力分布對管板處應(yīng)力分布的影響可以不計。模型的計算厚度按圖紙名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負(fù)偏差取值[4]。幾何模型見圖4。

5.1.2 單元選擇

輔助建模型的單元類型整體采用Workbench默認(rèn)六面體單元（solid186）[5]，進(jìn)行熱分析的單元類型采用solid70，模型局部網(wǎng)格劃分詳見圖5。

圖4 幾何模型圖

圖5 局部網(wǎng)格劃分圖

5.1.3 位移邊界條件

1）沿模型軸向殼體端面施加對稱約束；2）在模型周向90°的截面上施加對稱約束。

5.1.4 載荷邊界條件

1）在殼程側(cè)內(nèi)表面（包括殼程筒體內(nèi)表面、管板內(nèi)表面、換熱管外表面）施加殼程壓力；2）在管程側(cè)內(nèi)表面（包括管箱筒體內(nèi)表面、管板外表面、換熱管內(nèi)表面） 施加管程壓力；3） 在管箱筒體端面施加軸向等效應(yīng)力；4）按工藝條件對模型施加溫度邊界條件。

本次應(yīng)力分析不考慮重力、風(fēng)載荷、地震載荷及介質(zhì)液柱靜壓力。

5.1.5 載荷工況分析

按照GB/151《熱交換器》[6]設(shè)計要求，若不能保證殼程壓力Ps與管程壓力Pt在任何情況下同時作用時，則應(yīng)該分別對Ps與Pt單獨作用的兩種工況分別進(jìn)行校核。故管板的應(yīng)力分析計算考慮6種危險載荷工況組合進(jìn)行計算，具體見表1。

5.2 應(yīng)力分析及評定

5.2.1 應(yīng)力評定路徑

根據(jù)設(shè)備載荷工況，按圖6選取應(yīng)力評定路徑。

表1 載荷工況組合表

圖6 應(yīng)力評定路徑圖

5.2.2 應(yīng)力分析及評定

對六種載荷工況分別進(jìn)行分析計算，并對管板及過渡段應(yīng)力強度進(jìn)行線性化處理，按JB/T4732-1995（2005）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[7]的控制條件進(jìn)行強度評定。根據(jù)管板結(jié)構(gòu)的溫度場模擬分析計算，管程設(shè)計溫度取350℃，管板材質(zhì)14Cr1MoⅢ在設(shè)計溫度為350℃時的許用應(yīng)力Sm為140MPa。管板六種載荷工況下的強度評定如下：

1） 工況1中最大應(yīng)力強度為177.11MPa，出現(xiàn)在路徑B-B，因未考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度SⅢ=177.11MPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；2） 工況2中最大應(yīng)力強度為286.45MPa，出現(xiàn)在路徑BB，因考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度SⅣ=286.45MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；3） 工況3中最大應(yīng)力強度為195.95MPa，出現(xiàn)在路徑A-A，因未考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度 SⅢ=195.95MPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；4）工況4中最大應(yīng)力強度為208.33MPa，出現(xiàn)在路徑B-B，因考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度SⅣ=208.33MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；5） 工況5中最大應(yīng)力強度為173.46MPa，出現(xiàn)在路徑B-B，因未考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度 SⅢ=173.46MPaMPa＜1.5Sm=1.5×140MPa=210MPa；6） 工況6中最大應(yīng)力強度為184.43MPa，出現(xiàn)在路徑B-B，因考慮溫度載荷，所引起的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇，最大應(yīng)力強度SⅣ=184.43MPa＜3Sm=3×140MPa=420MPa；

5.2.3 評定結(jié)果

經(jīng)應(yīng)力線性化處理及分析比較，六種工況中最大應(yīng)力強度（SⅣ=286.45MPa） 出現(xiàn)在工況2，最大應(yīng)力強度出現(xiàn)在管板殼側(cè)未布管區(qū)域中間部位，詳見圖7。所有工況各個評定位置的最大應(yīng)力強度均滿足管板強度設(shè)計要求，故管板及管板與換熱管連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖7 最大應(yīng)力強度部位圖

6 結(jié)論

項目投產(chǎn)后設(shè)備運行正常，設(shè)備工藝氣出口溫度和壓力都能滿足后續(xù)工藝條件的要求，說明設(shè)備采用撓性薄管板結(jié)構(gòu)是合理、安全、可行的。對比厚管板結(jié)構(gòu)，撓性薄管板結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越性。

1）采用薄管板結(jié)構(gòu)，大大減小管板內(nèi)部溫差應(yīng)力，避免了管板與管頭之間因溫差應(yīng)力而損壞。由于管板較薄，加大了換熱強度，提高了換熱效率。設(shè)備運行周期長，更安全可靠，具有一定的完善性。2）一般厚管板受法蘭力矩和變形的影響比較大，而薄管板直接與剛度較小的筒體焊接，降低了管板邊緣應(yīng)力，避免管板應(yīng)力集中，延長了設(shè)備的使用壽命。3）厚管板要求殼體和管壁平均溫差較?。╰＜50℃），當(dāng)溫差t≥50℃時必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)。而薄管板結(jié)構(gòu)設(shè)計有一個帶弧度的肘節(jié)，具有撓性，補償了管束與殼體間的膨脹變形差，減少管板邊緣應(yīng)力集中，且不需設(shè)置膨脹節(jié)，節(jié)約了制造成本。因此撓性薄管板結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定先進(jìn)性。4）厚管板結(jié)構(gòu)，管板厚度（δ=100mm） 比較厚，增加了鉆孔、脹管、焊接等制造難度，加工費時，制造成本高。而采用薄管板結(jié)構(gòu)，厚度（δ=36mm） 比較薄，制造方便容易。節(jié)約材料達(dá)64%，同時也節(jié)約了大量的制造費用，具有很大的經(jīng)濟(jì)性。5）應(yīng)用ANSYS有限元軟件對撓性薄管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合場（溫度場和應(yīng)力場）分析設(shè)計是可靠的，有限元分析技術(shù)為撓性薄管板分析設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，能更全面的反映管板在各種載荷工況下的真實情況。把復(fù)雜的計算交由計算機(jī)來完成，節(jié)約了大量時間，為廣大設(shè)計人員提供了一種安全、可靠、快捷的設(shè)計途徑。

管板與換熱管連接處采用保護(hù)套管和澆注耐火材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，有效降低了高溫工藝氣側(cè)管板表面溫度；耐高溫保護(hù)套管材質(zhì)選用Inconel600，一種使用溫度從低溫到1093℃的Ni-Cr合金。此結(jié)構(gòu)降低了管板表面及換熱管內(nèi)側(cè)溫度，解決了高溫側(cè)管板超溫和金屬粉末化[8]腐蝕問題，并為管板和換熱管的選材提供了可行性。

綜上，蒸汽發(fā)生器的管板結(jié)構(gòu)采用撓性薄管板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是可行的，對比厚管板結(jié)構(gòu)設(shè)計，更安全可靠，最大程度提升了其所創(chuàng)造出的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的先進(jìn)性、完善性及較大的經(jīng)濟(jì)性。對類似設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計有很好的借鑒意義，同時也為類似設(shè)備的推廣應(yīng)用提供了一些參考。