大型立式换热器裙座大半锥顶角可靠性研究

2019-06-27胡兴苗张贤安李禹平李军杰

上海化工 2019年6期

胡兴苗张贤安李禹平李军杰

镇海石化建安工程有限公司（浙江宁波 315207）

随着石油化工行业装置生产规模的日益扩大，立式换热器也日趋大型化，采用中间裙座的换热器在国内外应用非常广泛。NB/T 47041—2014《塔式容器》规定圆锥形裙座壳的半锥顶角不宜超过15°。在实际工程中：底部裙座与底封头连接，裙座内部空间大，人可以直接进入，制造组装、安装检修较为方便；而中间裙座与筒体连接，如果采用较小半锥顶角，则裙座与筒壁间隙过小，导致对裙座与筒壁之间堆焊结构内侧焊缝（圆角过渡）质量的保证、热处理之后的防腐施工及隔热箱组焊、裙座内侧的保温施工、在用压力容器检验等都会受到较大影响。因而采用中间裙座时半锥顶角往往会大于15°，如重整反应器、PACKINOX板式换热器等中间裙座的角度均超过15°。同时，有学者研究认为中间裙座半锥顶角最大可达30°，如图1所示[1]。因此，对半锥顶角变化下裙座的可靠性研究意义重大。

图1 中间裙座

裙座可靠性分析主要从强度和稳定性两方面着手。由于风载、地震载属于短期载荷，大型立式换热器高径比不大且裙座位于中间位置，因而不考虑风载、地震载的影响。裙座与筒体处的连接是不连续结构，所受载荷包括机械载荷及热载荷，在结构不连续及温度不均匀的影响下，应力数值很大且分布复杂，依靠解析方法无法准确计算该处的温度及应力分布。此外，还需对裙座进行轴向载荷稳定性计算。本研究借助ANSYS技术对某装置中反应流出物/混合进料换热器在不同半锥顶角下的裙座结构进行应力分析，分别对半锥顶角为 10°、15°、25°、30°4 种结构的裙座进行求解分析。设备相关参数如表1所示。

表1 换热器设计条件

表1涉及标准为：NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》；GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》。

1 换热器模型的建立

根据实际工况，按分析需求对换热器结构进行模型简化，建立轴对称模型，如图2所示。建立4种不同结构模型，其区别在于半锥顶角的大小不一，裙座高度、热箱高度、裙座筒体厚度等均保持一致。

图2 换热器几何模型示意图

2 结构热分析

2.1 热应力

热应力会造成裙座与容器之间连接焊缝的开裂破坏，类似的案例在国内外不少[2]。热应力计算主要分三种情况：一是筒体线性轴向温度梯度引起的热应力，二是裙座中线性轴向温度梯度引起的热应力，三是裙座中的非线性轴向热梯度引起的热应力。为了减小裙座的温差应力，需要设置隔热箱[3]来减小其温度梯度，同时设置保温层来隔绝热量散失，并减小裙座厚度方向的热应力[4]。

2.2 基于ANSYS的稳态热分析

换热器正常工作时温度基本保持稳定，因此采用稳态热分析。按操作温度为424℃，设定筒体、热箱、保温层对流面边界，以筒体端面和裙座底面为绝热边界，求解可得在操作工况下不同半锥顶角裙座的热场分布，如图3所示。由图3可知，热箱位置附近的裙座筒体温度缓慢递减。

2.3 热-结构耦合分析

基于热分析，将热场导入结构应力计算。设置材料的泊松比和弹性模量，同时加载设备内压与操作重量，对裙座底板进行轴向约束，求解结果如图4所示，局部放大图如图5所示。由图4、图5可知，各结构应力最大位置均在堆焊尖角处，应力场分布规律基本一致。

图3 4种结构温度场云图

2.4 强度分析

采用应力分类法[5]进行评判，对裙座进行等效线性化处理，分析处理结果如下：

（1）热应力影响最大的位置在裙座与筒体的连接处，设置的热箱、保温层对裙座的热应力起到了降低作用且该位置的应力峰值较大。

（2）对各结构相同位置进行路径划分，线性化计算可得各路径的一次薄膜应力强度（SⅠ）、一次局部薄膜应力强度（SII）及一次加二次应力强度（SⅣ）均通过应力评定且差值不大。

（3）在裙座厚度、热箱高度及裙座高度一致的前提下，半锥角大小的改变对裙座强度影响不大。

3 结构稳定性分析

3.1 稳定性求解概述

图4 4种结构应力场云图

对于中间裙座，除强度问题外，还需考虑其稳定性问题。NB/T 47041—2014中规定圆锥形裙座壳的半锥顶角不宜超过15°，其目的在于控制受轴向力时临界许用应力值的大小。由标准可知该值与锥壳半顶角的余弦平方成正比，随着锥壳半顶角的增大，临界值将降低。采用ANSYS软件对该结构进行屈曲分析，为使求解真实可靠，结合实际工程应用，同时考虑几何非线性及材料非线性，如此也更易收敛[6]。