繞管式熱交換器管板與封頭連接結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬忠明, 張明慧

(聊城市魯西化工工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 山東聊城 252000)

根據(jù)管板結(jié)構(gòu)的不同,繞管式熱交換器可以分為整體管板和分體管板(或稱側(cè)向管板)。 分體管板結(jié)構(gòu)的殼體與管板通常采用插入式結(jié)構(gòu)或嵌入式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)既不同于單純的管板,也不同于單純的開(kāi)孔殼體,而是在滿足管板自身承載要求的前提下同時(shí)滿足殼體開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的要求,現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚無(wú)該結(jié)構(gòu)的解析計(jì)算方法,工程中多采用有限元應(yīng)力分析法[1]。

本文對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《繞管式熱交換器》(NB/T 10938—2022)的制定背景、適用范圍和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,結(jié)合實(shí)例分別給出相同工況下,管板與封頭的兩種連接結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行必要的對(duì)比分析后,對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),最終的優(yōu)化結(jié)論可為同類結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供理論參考[2]。

1 NB/T 10938—2022 簡(jiǎn)介

1.1 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的背景

NB/T 10938—2022 是在繞管式熱交換器設(shè)計(jì)、制造及投用數(shù)量不斷增加,且不斷向大型化、高參數(shù)化發(fā)展的大前提下,充分總結(jié)繞管式熱交換器在空分、低溫甲醇洗、天然氣液化、石油加氫等領(lǐng)域的使用業(yè)績(jī)及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[3-4],由國(guó)內(nèi)知名設(shè)計(jì)院、高校、制造企業(yè)及科研單位共同編制的一部涉及繞管式熱交換器的設(shè)計(jì)、制造等各個(gè)環(huán)節(jié)的專用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

該標(biāo)準(zhǔn)限定設(shè)計(jì)壓力不大于10 MPa,承壓元件材質(zhì)限于奧氏體不銹鋼,使用溫度限制同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第2 部分:材料》 (GB/T 150.2—2011)[5],不適用于介質(zhì)易結(jié)垢、結(jié)焦、沉淀等存在堵塞及應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)合。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)

1.3.1 布管型式

在換熱管的布管型式中,針對(duì)由于中心筒的存在而無(wú)法滿布管的小管板,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熱交換器》(GB/T 151—2014)現(xiàn)有布管型式的基礎(chǔ)上,新增了沿圓周均布排列的布管型式[6]。

1.3.2 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)將繞管式熱交換器分為整體管板和分體管板兩種類型,整體管板又分為整體單股流管板和整體多股流管板,不同類型各有優(yōu)點(diǎn)和缺陷,工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的類型。

1.3.3 換熱管及繞管工藝

對(duì)于換熱管的檢驗(yàn)方法,標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定水壓試驗(yàn)或水下氣密性試驗(yàn)均可采用;對(duì)于繞管工藝,為從本質(zhì)上保證換熱管變形平穩(wěn)、材質(zhì)性能穩(wěn)定,規(guī)定其變形率不超過(guò)10%,并給出了變形率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

1.3.4 制造加工要求

該標(biāo)準(zhǔn)的另一特點(diǎn)是消除了業(yè)內(nèi)在部件制造、加工或設(shè)備整體組裝允差方面的分歧,明確規(guī)定了管板和管孔直徑及允差要求、中心筒的制造加工要求,提供了包扎筒的參考制作工藝及支撐結(jié)構(gòu)的布置要求。

1.3.5 管板計(jì)算

由于換熱管對(duì)管板的支撐作用介于固定管板和U 形管換熱器之間,標(biāo)準(zhǔn)頒布前,對(duì)于整體管板的計(jì)算,業(yè)內(nèi)一般按U 形管換熱器管板的強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[7]。 但對(duì)于分體管板結(jié)構(gòu),管板直接與殼體連接,其承載形式與U 形管換熱器管板相去甚遠(yuǎn),僅采用常規(guī)方法是不能保證結(jié)構(gòu)承載安全的,此時(shí)必須對(duì)管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。

另外,為了便于設(shè)計(jì)者執(zhí)行,對(duì)于管板的局部應(yīng)力分析,該標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)率先應(yīng)用了第四強(qiáng)度理論(即米塞斯屈服準(zhǔn)則),并以資料性附錄的形式明確規(guī)定了載荷工況組合、應(yīng)力性質(zhì)、線性化路徑和應(yīng)力評(píng)定許用值的確定原則,統(tǒng)一了基本設(shè)計(jì)理念。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)及主體結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某裝置中一級(jí)預(yù)冷卻器采用了多股流繞管式換熱結(jié)構(gòu),設(shè)備主體設(shè)計(jì)參數(shù)及其他與設(shè)計(jì)相關(guān)的地質(zhì)勘查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1(僅為多股流主管程的設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果)。

表1 一級(jí)預(yù)冷卻器主體設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 主體結(jié)構(gòu)

設(shè)備主體采用鋼結(jié)構(gòu)支撐于混凝土框架之上,設(shè)備本體采用耳式支座支撐,8 個(gè)圓周均布,總體外形尺寸及局部結(jié)構(gòu)放大見(jiàn)圖1。

圖1 一級(jí)預(yù)冷卻器主體結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)構(gòu)類型及分析

3.1 管板與封頭連接結(jié)構(gòu)

關(guān)于管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),綜合承載能力、制造加工和檢驗(yàn)驗(yàn)收等方面的技術(shù)要求,在NB/T 10938—2022 的附錄中給出了插入式和嵌入式兩種參考結(jié)構(gòu)。 插入式和嵌入式管板與殼體連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 管板與殼體連接結(jié)構(gòu)[2]

3.2 結(jié)構(gòu)分析

從殼體開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的角度分析,插入式結(jié)構(gòu)插入殼體內(nèi)部和留在殼體外部的部分均可起到補(bǔ)強(qiáng)作用,可以使金屬材料得到充分利用,承載能力比嵌入式結(jié)構(gòu)更強(qiáng)。

但插入式結(jié)構(gòu)同時(shí)伴生了其他問(wèn)題:首先是插入部分與殼體形成了360°承壓夾角,由此形成的結(jié)構(gòu)不連續(xù)在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域與焊縫重疊,處于高應(yīng)力狀態(tài)下,長(zhǎng)期運(yùn)行容易在焊縫表面產(chǎn)生裂紋,危及設(shè)備的本質(zhì)安全;另一方面,管板插入殼體部分的環(huán)面,在殼程內(nèi)壓作用下產(chǎn)生以焊接點(diǎn)為中心的附加彎矩,該彎矩會(huì)加劇連接區(qū)的應(yīng)力集中效應(yīng),同時(shí)使管板中心特別是孔橋的彎曲應(yīng)力增大,使管板所需截面厚度增加,造成管板材料浪費(fèi)。

以上是通過(guò)定性分析,從承載和受力分析的角度,對(duì)兩種結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行的初步判定。 以下采用有限元應(yīng)力分析方法,將具體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4 應(yīng)力分析

4.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

4.1.1 模型構(gòu)建

采用常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法,確定初始管板厚度為370 mm,材質(zhì)為S30403Ⅲ,插入式結(jié)構(gòu)管板伸入殼體的深度為195 mm,嵌入式結(jié)構(gòu)管板下表面與殼體內(nèi)壁平齊。 為便于計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,插入式與嵌入式結(jié)構(gòu)采用相同的初始管板厚度。

結(jié)合分體管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)有限元模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化: ①鑒于計(jì)算結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,計(jì)算模型沿殼體圓周方向取其1/4; ②不考慮換熱管外壁與管孔內(nèi)壁間的空隙及二者的接觸摩擦。

基于以上假設(shè)的前提條件,采用插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)分別建立一級(jí)預(yù)冷卻器管板與封頭連接結(jié)構(gòu)的三維模型,計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

4.1.2 網(wǎng)格劃分

采用SOLID186 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。 插入式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量為171 264,節(jié)點(diǎn)數(shù)為858 231;嵌入式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量為171 664,節(jié)點(diǎn)數(shù)為860 330。

圖4 網(wǎng)格劃分

4.2 邊界條件

殼程筒體下部橫向剖分面限定軸向(坐標(biāo)軸中的Y方向)位移為0,縱向剖分面施加無(wú)摩擦約束(即經(jīng)典操作環(huán)境中的對(duì)稱約束),殼程和管程分別給定對(duì)應(yīng)工況下的設(shè)計(jì)壓力,換熱管端面不加約束,不考慮管束重力及溫差產(chǎn)生的應(yīng)力。

4.3 工況分析及求解計(jì)算

根據(jù)NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應(yīng)力分析”的要求,需要計(jì)算3 種工況,分別為殼程壓力單獨(dú)作用、管程壓力單獨(dú)作用和管殼程壓力同時(shí)作用。 經(jīng)試算,該設(shè)備起決定作用的工況為殼程壓力單獨(dú)作用,文中僅展示該工況的計(jì)算結(jié)果。

兩種結(jié)構(gòu)殼程壓力單獨(dú)作用下的總體應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5。 從圖5 可以看出,在殼程內(nèi)壓作用下,兩種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均位于管板與殼體相貫處,最大值分別為319.24 MPa 和239.23 MPa。

圖5 總體應(yīng)力分布云圖

4.4 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

根據(jù)NB/T 10938—2022 附錄C“熱交換器管板應(yīng)力分析”中的應(yīng)力分類和應(yīng)力評(píng)定要求,選取的應(yīng)力線性化路徑的位置及各應(yīng)力線性化路徑的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,管板及管板與殼體連接處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力限定要求。

表2 應(yīng)力評(píng)定位置及結(jié)果

4.5 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

從圖5 可以看出:插入式結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中效應(yīng);與插入式結(jié)構(gòu)相比,嵌入式結(jié)構(gòu)承載截面的連續(xù)性有所提高,應(yīng)力集中效應(yīng)得以緩解,管板與殼體連接位置的應(yīng)力最大值由319.24 MPa 降至239.23 MPa。

從表2 可以看出:在主體承載截面尺寸相同的前提下,兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足NB/T 10938—2022 中的限定要求;對(duì)于兩種結(jié)構(gòu),布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋?qū)馨搴穸绕饹Q定作用;相對(duì)于插入式結(jié)構(gòu),嵌入式結(jié)構(gòu)的管板中心和布管區(qū)的薄膜應(yīng)力略有升高,而薄膜+彎曲應(yīng)力大幅降低。

插入式結(jié)構(gòu)布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應(yīng)力為190.19 MPa,相對(duì)于205.5 MPa 的許用值裕量很小;嵌入式結(jié)構(gòu)布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋,其薄膜+彎曲應(yīng)力為80.340 MPa,尚有非常大的承載空間。

5 管板及管板與殼體連接區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于兩種承載結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析結(jié)果,采用嵌入式結(jié)構(gòu)對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,管板厚度由原來(lái)的370 mm 減至270 mm,優(yōu)化前后的總體應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6 管板厚度優(yōu)化前后的總體應(yīng)力分布云圖

管板厚度減薄后,對(duì)管板布管區(qū)應(yīng)力最高的孔橋進(jìn)行應(yīng)力線性化,薄膜+彎曲應(yīng)力的最大值為177.91 MPa,其許用值為205.5 MPa,仍然滿足NB/T 10938—2022 中對(duì)管板強(qiáng)度的限定要求。管板厚度減薄后,設(shè)備上下兩塊管板的質(zhì)量減少約4 t,可節(jié)約金屬原材料及管板深孔鉆等機(jī)加工費(fèi)用約16 萬(wàn)元;同時(shí)在不改變?cè)O(shè)備使用要求的前提下,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)分體管板的兩種連接形式,雖然插入式結(jié)構(gòu)制造加工簡(jiǎn)單,但在管板厚度相同的前提下,嵌入式結(jié)構(gòu)的承載能力優(yōu)于插入式結(jié)構(gòu);在主體結(jié)構(gòu)不變的前提下,嵌入式結(jié)構(gòu)的管板可以設(shè)計(jì)得更薄,可降低管板鉆孔難度并減少制造加工費(fèi)用。

(2)在殼程內(nèi)壓作用下,插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值均位于管板與殼體相貫處。插入式結(jié)構(gòu)由于高應(yīng)力區(qū)與焊縫重疊,在殼程壓力較大時(shí),焊縫開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)增大。 而嵌入式結(jié)構(gòu)由于凸肩結(jié)構(gòu)的存在,可以避免高應(yīng)力區(qū)與焊縫的重疊,降低了高應(yīng)力焊縫產(chǎn)生表面裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)管板與殼體的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和局部應(yīng)力集中越發(fā)明顯,高應(yīng)力運(yùn)行開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大,建議標(biāo)準(zhǔn)在后續(xù)的修訂中對(duì)插入式結(jié)構(gòu)開(kāi)孔率的適用范圍加以限定。

本文給出了插入式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,但未對(duì)插入式結(jié)構(gòu)插入殼體的高度對(duì)管板及連接區(qū)域應(yīng)力分布的影響進(jìn)行更為詳細(xì)的分析。 在后續(xù)的研究中,可就此開(kāi)展工作,用具體的數(shù)據(jù)展示應(yīng)力的變化規(guī)律,為兩種結(jié)構(gòu)的選用提供更為科學(xué)可靠的依據(jù)。