硫冷凝器管板樣機數(shù)值分析與應力測試對比

馬一鳴，王海波，楊春天，趙明明，尹依娜，汪沈陽，羅沿予

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2.中國石油化工股份有限公司 中原油田分公司 石油工程技術研究院，四川 達州 636156）

我國高含硫天然氣資源豐富，資源量超過4萬億 m3［1］，探明儲量近 1萬億 m3。 高含硫天然氣具有劇毒、腐蝕性強及安全風險高的特性，無法直接使用，需進行凈化處理。凈化后分離出的酸性氣中含有大量的 H2S、CO2、SO2和 Cl-等， 如直接排空，會造成很大的環(huán)境危害和硫資源浪費［2］，需采用硫磺回收裝置將酸性氣中的硫元素轉(zhuǎn)化為硫磺進行回收處理［3］。普光氣田為我國“川氣東送”的起點，配套的天然氣凈化廠硫磺回收裝置硫磺產(chǎn)能達240萬t/a，規(guī)模居全國首位。該硫磺回收裝置采用低壓蒸汽發(fā)生、鍋爐給水預熱的方式將酸性氣反應生成的過程氣冷卻，使過程氣中的硫蒸氣達到冷凝點，最后將液硫收集存儲。裝置中的末級硫冷凝器是關鍵設備之一，具有高參數(shù)（管、殼程壓差為 6.4 MPa）、大型化（直徑 3 200 mm）等特點，使用過程中頻繁發(fā)生內(nèi)漏等問題，導致裝置停產(chǎn)、檢修，對“川氣東送”沿線地區(qū)的天然氣供應造成不利影響。

國內(nèi)外高參數(shù)大型硫冷凝器一般采用管殼式熱交換器中的e型或b型管板結(jié)構(gòu)，管板較厚，剛性較大，導致?lián)Q熱管與管板連接接頭拘束度較高。在腐蝕環(huán)境下，管頭存在較大溫差應力及殘余應力，易誘發(fā)管板及管頭的應力腐蝕開裂，引起內(nèi)漏。因此，硫冷凝器的設計要點為提高管板柔性，降低管板對管頭的拘束度。文中針對末級硫冷凝器的內(nèi)漏問題，探討了硫冷凝器管板改進思路，并設計了剛性管板和柔性管板樣機，結(jié)合有限元數(shù)值模擬和試驗測試結(jié)果進行應力對比分析，獲取不同結(jié)構(gòu)的承載特點。

1 硫冷凝器管板改進思路

國內(nèi)外現(xiàn)行的管板計算方法都是以彈性理論為基礎的當量實心板理論，故管板承載和剛度要素分析可參考當量實心板理論，再根據(jù)需要選取相應的設計理論。

殼程筒體在殼程壓力作用下產(chǎn)生環(huán)向應力，并徑向膨脹，由于泊松效應，筒體軸向收縮。管板在殼程側(cè)承受殼程壓力，殼程筒體和管束沿軸向伸長，且換熱管在管外殼程壓力的作用下徑向收縮，在泊松效應下軸向伸長，并引起管板的局部彎曲變形。同時，由于換熱管溫度高于殼體溫度，產(chǎn)生軸向變形差，更加劇了管束的伸長效應。筒體與管板變形相互協(xié)調(diào)，會對管板周邊不布管區(qū)產(chǎn)生附加剪切力與彎矩，引起管板整體彎曲變形。此外，沿厚度方向管板溫度存在差異，也產(chǎn)生了附加的整體彎曲變形。

管板應力水平受整體彎曲變形及局部彎曲變形聯(lián)合控制。整體彎曲變形受管板的彎曲剛度（管板厚度）、管束的支撐強度 （換熱管與管板剛度比）及管板周邊不布管區(qū)變形協(xié)調(diào)能力（筒體與管板連接方式）控制。局部彎曲變形則受換熱管管孔間距及管束的支撐強度控制。

在布管區(qū)，管板的彎曲剛度與自身厚度的三次方成正比，管束的支撐強度與換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)成正比，與管板厚度成反比。 現(xiàn)有研究表明［4-12］，在一定的邊界支撐條件下，當換熱管支撐強度系數(shù)逐漸增大時，管板的撓度、彎矩等自周邊向中心衰減并呈波形分布。支撐強度系數(shù)越大，管板的撓度、彎矩等衰減越快、波數(shù)越多，但由于變形差異逐步擴大，周邊彎矩有所提高。因此，減小管板厚度、提高換熱管支撐強度，有利于降低管板剛度并改善管頭拘束度。

在連接區(qū)，管板周邊不布管區(qū)的變形協(xié)調(diào)能力與其結(jié)構(gòu)剛度密切相關。剛性管板周邊不布管區(qū)的力學模型為當量環(huán)板結(jié)構(gòu)，剛度取決于環(huán)板與殼體的連接情況及環(huán)板厚度，連接形式通常介于固支與簡支之間，剛度較高。因此，可采用膨脹節(jié)等類似的柔性結(jié)構(gòu)來顯著降低管板周邊剛度。

2 硫冷凝器管板樣機設計

為了驗證管板改進思路的正確性，筆者分別設計、制造了剛性管板與柔性管板樣機各1臺，對2臺樣機進行壓力載荷下的應力測試，量化二者的差異。

表1 管板樣機選材方案

最終確定的剛性管板樣機管板厚度60 mm，柔性管板樣機管板厚度18 mm，過渡段圓角半徑R=38 mm。2種管板樣機結(jié)構(gòu)簡圖分別見圖1和圖2。

圖1 剛性管板樣機結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 柔性管板樣機結(jié)構(gòu)簡圖

3 硫冷凝器管板樣機有限元數(shù)值分析

考慮結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，對管板建立1/4模型，換熱管、殼體取1/2設計長度。采用ANSYS軟件中的8節(jié)點三維實體單元SOLID 185進行結(jié)構(gòu)分析。

分別建立剛性管板和柔性管板樣機模型，模型所用尺寸中厚度為名義厚度。在管板及殼體的對稱面施加對稱位移約束，在殼體及換熱管橫截面施加軸向位移約束。換熱管外表面、殼程筒體內(nèi)表面、管板殼程側(cè)表面施加殼程試驗壓力載荷7.75 MPa。

有限元分析得到的剛性管板樣機模型應力云圖見圖3，柔性管板樣機模型應力云圖見圖4。

圖3 剛性管板樣機模型應力云圖

分析圖3、圖4可以看出，在相同的載荷條件下，采用柔性薄管板可滿足結(jié)構(gòu)的安全要求，且過渡段與殼體連接處的總體應力由189.677 MPa下降為168.646 MPa，連接處剛度下降，與理論分析相符。

圖4 柔性管板樣機模型應力云圖

依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）》［13］進行強度評定。 應力線性化路徑的選取原則是［14-19］，分析構(gòu)件應力強度最大位置、其它高應力強度區(qū)域及關注部位，并沿壁厚方向設定應力線性化路徑。管板樣機應力線性化路徑位置見圖5，各線性化路徑的應力計算值見表2。剛性管板的路徑均處于所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上，柔性管板的路徑均處于Q245R和所用坯料厚度大于100 mm的20鍛件上。上述材料常溫下許用應力均為148 MPa，局部薄膜應力SⅡ和一次薄膜加一次彎曲應力SⅢ的許用極限為1.5KSm，耐壓試驗工況下K=1.25，即SⅡ和SⅢ的許用極限為277.5 MPa。表 2中各計算應力均小于許用極限，表明管板樣機模型結(jié)構(gòu)安全，樣機設計合理。

圖5 管板樣機應力線性化路徑位置示圖

表2 管板樣機各線性化路徑應力計算值 MPa

4 硫冷凝器管板樣機應力測試測點分布

管板樣機應力測點分布在3個區(qū)域，即布管區(qū)、布管區(qū)以外與殼體連接過渡部分以及殼體外壁。除管板中心位置外，所有測點均兩兩對稱布置，測點26～測點49均與其編號相差24的點對稱，如測點26與測點2對稱、測點49與測點25對稱。管板樣機應力測試中不同區(qū)域應力測點布置見圖6～圖10。

圖6 管板樣機應力測點總體布置

圖7 管板樣機右半?yún)^(qū)應力測點布置

圖8 管板樣機左半?yún)^(qū)應力測點布置

圖9 剛性管板樣機布管區(qū)外應力測點布置

圖10 柔性管板樣機布管區(qū)外應力測點布置

5 硫冷凝器管板樣機應力測試結(jié)果及對比分析

5.1 應力測試與數(shù)值分析結(jié)果對比

剛性管板與柔性管板樣機應力測試與有限元數(shù)值分析結(jié)果見表3。殼體上應力測點的z向應力在表3中表示為x向。

表3 管板樣機應力測試與有限元數(shù)值分析結(jié)果 MPa

分析表3，剛性管板的測點17、測點21、測點23和測點24，柔性管板的測點1和測點23的測試數(shù)據(jù)與其各自對稱點的測試數(shù)據(jù)差異較大，與數(shù)值分析值差異也較大，應為奇異點。其余測點的數(shù)值分析結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合。

在布管區(qū)，對柔性管板，除中心測點1的應力偏高外，測點2～測點6的應力基本相當。表明當換熱管支撐強度系數(shù)較大時，減小管板厚度對承受機械載荷能力基本無影響，同時管板彎曲剛度下降明顯，可改善因管板剛度引起的對管頭的拘束度。這與管板改進思路的判斷基本一致。

在連接區(qū)，2種管板的測點21～測點25的應力差異較大，表明剛性管板的周邊約束高于柔性管板的，周邊彎曲應力顯著提高。同時，管板過渡段x向測點16～測點20與相鄰布管區(qū)測點6的應力存在明顯方向變化，且柔性管板數(shù)據(jù)高于剛性管板的，表明柔性結(jié)構(gòu)相比剛性結(jié)構(gòu)存在顯著變形，導致該部位彎曲應力水平提高，但可補償換熱管與筒體變形差，改善管板與筒體連接結(jié)構(gòu)對管頭的拘束度。這也與管板改進思路的判斷基本一致。

5.2 2種管板樣機對比

剔除奇異點后，取對稱點測試數(shù)據(jù)平均值，對2種管板樣機對應位置測點的測試數(shù)據(jù)及有限元數(shù)值分析數(shù)據(jù)進行對比。

5.2.1 管板端面

（1）中心點（測點 1） 柔性管板的應力水平主要取決于換熱管間距和周邊支撐。管板中心未布管，無換熱管拉撐，換熱管間距較大，其應力高于其余布管區(qū)，應力測試和數(shù)值分析均驗證了這一點。剛性管板的剛度較大，厚度較厚，中心應力較小。中心位置的應力測試與數(shù)值分析結(jié)果均表明，減小換熱管間距或增大管板厚度可有效降低管板應力水平，且間距作用更為明顯。

（2）布管區(qū)域孔橋位置（測點2～測點4） 布管區(qū)換熱管對管板的拉撐作用明顯時，管板厚度對應力水平影響較小。管板厚度增大，應力減小幅度有限。測試數(shù)據(jù)大于數(shù)值分析數(shù)據(jù)，與管板端面結(jié)構(gòu)不連續(xù)、存在焊接殘余應力有關。

（3）布管周邊（測點5～測點6） 柔性管板剛度較小，周邊位置局部彎曲應力較高，其徑向與周向應力均高于剛性管板。

（4）過渡段（測點 16～測點 20） 過渡段 y向應力為周向應力，主要為薄膜應力，剛性管板與柔性管板的應力差異不大，測試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)吻合性很好。過渡段x向應力為徑向應力，為薄膜應力加彎曲應力，以彎曲應力為主，管程側(cè)表面為壓縮側(cè)，數(shù)據(jù)吻合性好。過渡段x向應力測試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析數(shù)據(jù)的絕對值差異較大，這與設備組裝順序不同、過渡區(qū)存在預應力有關。

5.2.2 殼體

在遠離管板與殼體連接處，管板結(jié)構(gòu)對殼體應力的影響比較小，殼體周向應力受內(nèi)壓控制，應力無差異。軸向應力與換熱管、殼體及管板的剛度有關，應力差異小。柔性管板結(jié)構(gòu)的殼體軸向應力略小。

在靠近管板與殼體連接處，受邊緣效應的影響，管板外圓面承受軸向附加彎矩。管板外圓面的軸向應力為薄膜應力加彎曲應力，以彎曲應力為主，管板外圓面為壓縮側(cè)。管板外圓面周向應力相差不大。

6 結(jié)語

針對硫冷凝器內(nèi)漏問題，探討了硫冷凝器管板改進思路，設計了剛性管板與柔性管板樣機，建立了樣機有限元數(shù)值分析模型，對2種樣機進行了有限元應力數(shù)值分析和壓力載荷下的應力測試。對比結(jié)果顯示，應力測試結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果吻合性較好，表明數(shù)值分析模型簡化合理，邊界條件設置正確，分析結(jié)果準確可靠，模型的簡化方式和邊界條件設置可用于工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)值分析。管板端面應力測試數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果存在一定差異，主要由以下原因引起，①樣機制造完成后進行了熱處理，管板存在初始變形，而且熱處理未能完全消除焊接殘余應力。②管板端面結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應力梯度大。③換熱管與管板實際采用的是角焊縫結(jié)構(gòu)，而數(shù)值模型中則簡化為伸入管板部分換熱管與管板一體的結(jié)構(gòu)。