制硫余热锅炉整体结构有限元优化设计

(中海油石化工程有限公司， 山东 青岛 266101)

制硫余热锅炉整体结构有限元优化设计

郭华军

(中海油石化工程有限公司， 山东 青岛 266101)

制硫余热锅炉属于硫磺回收装置中的关键设备之一，内压、自重以及地震组合载荷作用下叠装制硫余热锅炉的设计是常规设计计算中的难点。利用ANSYS有限元分析软件对制硫余热锅炉整体模型进行分析设计，得到应力集中局部结构为上升管、下降管与锅体、汽包连接部位内部，通过局部结构细化得到应力云图及应力结果，并对应力进行了强度评定。依据分析结果，去除了汽包与锅体之间的鞍座结构以及上升管、下降管的补强圈，使制硫余热锅炉的结构更为合理，制造经济性得到了提高。

余热锅炉； 整体结构； 局部结构； 应力强度评定； 有限元分析

1 制硫余热锅炉简介

制硫余热锅炉是炼油企业硫磺回收装置中的关键设备之一，在内压、自重以及地震作用下，叠装制硫余热锅炉的设计计算是常规设计计算中的难点。实际生产中常用规格的某制硫余热锅炉的结构示意图见图1。

该制硫余热锅炉的壳程设计压力为1.2 MPa、设计温度为200 ℃，介质为除氧水和水蒸气。制硫余热锅炉锅体和汽包材料均为Q245R，上升管材料为20钢[1]，制硫余热锅炉的腐蚀裕量3 mm，设计基本地震加速度0.2g。

制硫余热锅炉连接制硫燃烧炉，燃烧炉产生的过程气从左端进入锅体， 流经锅体中的管程被冷却

1.下降管 2.锅体 3.上升管 4.汽包 5.锅体与汽包连接鞍座 6.锅体鞍座图1 制硫余热锅结构示图

至350 ℃左右，由锅体右侧管口进入装置管网。过程气流经制硫余热锅炉的同时，除氧水由汽包上的管口进入汽包，由下降管自上而下进入锅体，与锅体管程中的过程气进行热交换，受热气化之后成为1.0 MPa的高温饱和蒸汽并由上升管进入汽包，由汽包上的管线输送至装置管网加以利用[2]。

制硫余热锅炉的上升管传输高温蒸汽，并且承担汽包部分自重，锅体与汽包连接鞍座承担汽包部分自重[3，4]。在制硫余热锅炉实际运行中，由于锅体与汽包连接鞍座不会随着设备温度的变化而变化，因此它会限制上升管、下降管因温度作用而产生的变形，产生温度应力(二次应力)，甚至在不稳定工况等情况下温度会发生一定程度的交变，有可能在结构不同部位产生塑性变形以及不可逆的积累，出现棘轮现象[5]。因此，锅体与汽包连接鞍座的存在对设备安定性影响很大。如果去掉锅体与汽包连接鞍座，在汽包的自重以及地震载荷的作用下，设备的设计强度会有所削弱，可能导致出现设计不安全的问题。

为此，笔者利用有限元方法，综合考虑该余热锅炉的苛刻工作工况，在自重、地震载荷、内压联合作用下评定设备结构是否满足设计要求。由于管程不是分析重点，而且管程计算可以利用常规设计计算求出，故未列出管程的计算参数[6，7]。

2 制硫余热锅炉有限元分析

2.1有限元模型建立

余热锅炉的管板、换热管、接管等结构可以利用相关标准计算确定，重点分析锅体鞍座、锅体、汽包、下降管、上升管、锅体与汽包连接鞍座结构，为了简化模型，利用封头代替锅体两端管板。建立的制硫余热锅炉三维模型见图2，有限元模型网格划分见图3。

所建模型的材料为低碳钢，弹性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，热膨胀系数取1.2×10-5/℃[8]。

图2 制硫余热锅炉三维模型

图3 制硫余热锅炉有限元模型网格划分

2.2整体有限元分析

对网格模型合理施加约束条件和初始温度(20 ℃)，施加重力加速度、地震载荷(z向)、内压1.2 MPa和温度载荷200 ℃，得到的第三应力强度SINT应力云图见图4。

图4 制硫余热锅炉SINT应力云图

由图4可以看出，应力最大及较大部位为上升管、下降管与锅体、汽包连接部位内部，最大SINT应力值为133.48 MPa，但由于只进行了整体网格划分，未进行局部网格优化处理，所以并不能确定133.48 MPa为准确数值，不能直接用其进行应力评定，但应力最大及较大部位的确定已经达到了整体有限元分析的目的[9]。

2.3局部模型精确数值求解

根据图4确定的应力最大及较大部位，抽取图5所示的各局部结构模型进行有限元分析，确定应力准数值并进行应力评定。局部结构模型材料及属性与整体模型的相同。对局部结构网格模型载入切割边界条件值，施加重力加速度、地震载荷(z向)、内压1.2 MPa和温度载荷200 ℃，得到的SINT应力云图见图6[10]。

2.4应力强度评定

应力线性化选择原则：①通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径。②对于相对高应力强度区，沿壁厚方向设定路径，无须路径线性化[11]。

根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)[12]中表6-2和表6-4，由锅体、汽包、上升管材料以及设备温度200 ℃确定Sm=124 MPa。由于文中考虑了地震载荷，故载荷

图5 制硫余热锅炉局部连接结构模型

图6 制硫余热锅炉局部连接结构SINT应力云图

组合系数K=1.2。为了计算方便，偏保守仍然取K=1.0[13]。

根据分析计算结果，4个局部结构模型的SINT应力分别为S1=125.8 MPa、S2=123.92 MPa、S3=118.24 MPa、S4=115.26 MPa，而应力强度为1.5Sm=186 MPa，S1、S2、S3、S4均不大于1.5Sm，所以局部结构模型与整体模型在内压、自重、地震组合工况作用下应力评定均合格[14，15]。根据JB 4732的第3.10条，无需进行疲劳评定[16，17]。

2.5x轴向地震载荷

对制硫余热锅炉整体和局部结构模型施加x轴向地震载荷，按照上述步骤重新计算SINT应力并进行评定，结果均合格。

3 结语

利用整体建模整体分析方法，对制硫余热锅炉内压、自重、地震组合载荷工况进行计算分析，得到应力集中局部结构为上升管、下降管与锅体、汽包连接部位内部，对局部结构建模并细化网格，载入整体模型切割边界条件值，得到了SINT应力准确结果，对结果进行强度评定，评定结果均合格。此方法突破了常规设计方法只能进行总体薄膜应力计算校核的局限，并且消除了直接局部建模时模型和边界条件简化对分析结果的影响。

在内压、自重、地震组合载荷工况下，整个制硫余热锅炉结构满足设计强度要求，常规设计设置在汽包与锅体之间的鞍座结构是多余约束，应予取消。有限元应力分析确定了上升管、下降管无需另外设置补强圈结构，优化了常规设计结构，使设备结构更为合理可靠，同时增强了设备制造经济性。

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(张编)

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FiniteElementOptimizationResearchofOverallStructureofWasteHeatBoilerRecyclingSulfur

GUOHua-jun

(CNOOC Petrochemical Engineering Co. Ltd.， Qingdao 266101， China)

Waste heat boiler, one of the key equipment in sulfur recovery unit, is focused on, and difficult points in common design calculation of stacked waste heat boiler under combined loads of internal pressure，gravity and earthquakes are discussed. The whole model of waste heat boiler established with an application of finite element analysis software ANSYS is analyzed and designed with findings that the stress concentrates in positions connecting the up-flow tube，down-flow tube and the shell, drum. A stress map and stress results are obtained through analysis of the local structure of refinement and further evaluated. According to the analysis result, the saddle structure and reinforcing ring between the boiler body and the steam drum has been removed for a more reasonable structure and a higher manufacture economy of waste heat boiler.

waste heat boiler； holistic model； local model； stress intensity assess； finite element analysis

TQ050.2

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.006

1000-7466(2017)05-0030-05

2017-03-30

郭华军(1983-)，男，山东德州人，工程师，硕士，从事石油化工设备的设计工作。