大型工业表面凝汽器结构的有限元分析

王尚峰 刘秋实 张玉辉 王 懿 何振岐

（1.沈阳鼓风机集团股份有限公司；2.中海壳牌石油化工有限公司）

0 引言

表面凝汽器广泛应用于石油、化工、机械等众多领域，它的作用在于将工业汽轮机排气冷凝成水，从而建立真空并且维持真空的环境。正是由于表面凝汽器的特殊用途，其具有壳体直径大、壳程真空度高和支撑结构复杂等特点，如何保证表面凝汽器支撑结构的刚度和强度，并且在材料成本和设备安全之间找到一个平衡点，成为本篇文章的主要内容。

目前水冷式表面凝汽器有相应的国家设计标准JB/T 10085-1999《汽轮机表面式凝汽器》[1]、美国设计标准HEI2629-2012《Standards for Steam Surface Condensers》[2]，但对于表面凝汽器刚性支撑的设计计算并没有详细要求。因此文中以某换热面积为14 200平方米的水冷式表面凝汽器项目为例，这台凝汽器的壳体直径为4 900mm，壳体长度为16 000mm，由于壳体受压为真空状态，其受力特点是由设备外部的大气压向设备内部施压，所以壳体内部采用了环形工字钢和轴向直工字钢相结合的支撑形式。采用UG创建三维实体模型，用ANSYS Workbench对其进行整体有限元应力分析计算，并按ASME规范Ⅷ中第二册《Rules for Construction of Pressure Vessels》[3]对表面凝汽器进行强度评定。为我国发展大型工业表面凝汽器设计提供参考。

1 表面凝汽器有限元模型

1.1 技术参数

表面凝汽器主要技术参数见表1。

表1 表面凝汽器主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of surface condenser

1.2 三维实体模型

本台表面凝汽器的壳程中，环向支撑采用8根环型加强筋，型号为GB/T706-2008《热轧型钢》[4]槽钢20b，材料为Q345D，延长度方向均匀布置；纵向支撑采用6根直加强筋，型号为GB/T706-2008《热轧型钢》[4]工字钢20b，材料为Q345D，延周向等分布置。利用UG软件创建三维实体模型，简化模型见图1。壳体内部支撑工字钢详图见图2。

图1 表面凝汽器三维模型图Fig.1 3D model of surface condenser

图2 壳体内部支撑工字钢详图Fig.2 Detail of shell internal support

1.3 有限元模型

将三维模型导入ANSYS Workbench中，并对模型进行有限元网格剖分[5]。网格划分单元类型采用三维Soild187单元[6]，单元总数为235 150，节点总数为454 669。得到有限元网格模型见图3[8]。

图3 表面凝汽器有限元网格模型图Fig.3 Finite element mesh model of surface condenser

1.4 材料属性及边界条件

表2 材料属性表Tab.2 Material property

材料属性见表2。

根据本台表面凝汽器的使用工况和支撑型式，边界条件定义为四个支座固定约束[7]。

2 有限元应力计算结果与分析

2.1 表面凝汽器壳体应力分析

表面凝汽器壳体在运行工况条件下的应力分布见图4，由图可以看出设备整体应力分布十分均匀，最大应力强度值约为320MPa，发生位置在图5红色区域，对应力最大却与进行应力线性化处理[8]。

图4 表面凝汽器壳体应力分布云图Fig.4 Stress distribution of surface condenser shell

图5 表面凝汽器壳体应力分布云放大图Fig.5 Stress enlarged distribution of surface condenser shell

根据最大应力位置，按照图6所示选取路径进行应力分类和线性化[9]，得到图7所示结果。经过计算，表面凝汽器的整体形变见图8，其最大形变量为12.36mm，最大形变位置为喉部处，分析得出喉部的板材壁厚为24mm，而最大形变量小于喉部板材厚度，故满足设计要求。

图6 表面凝汽器壳体分析路径选取图Fig.6 Analysis path selection picture of surface condenser shell

图7 表面凝汽器壳体应力线性化结果图Fig.7 Stress linearization results picture of surface condenser shell

图8 表面凝汽器整体形变云图Fig.8 Overall deformation nephogram of surface condenser

根据ASME规范Ⅷ中第二册5.2.2.4[3]中许用应力评定细则规定进行分析，对表面凝汽器壳体的应力评定结果表见表3。通过此表可以看出，膜应力的应力限制与计算应力之比为2.42，大于规范中要求的1，即为该应力评定结果是安全通过的。膜应力+弯曲应力的组合应力的应力限制与计算应力之比为1.13，大于规范中要求的1，该应力评定结果也是安全通过的。这样就可以判定本设备整体强度和刚度的稳定性计算通过。

表3 表面凝汽器应力评定结果表Tab.3 Stress assessment results table of surface condenser

2.2 表面凝汽器支座应力分析

由于表面凝汽器支座处于筒体的中心水平处，由四根钢筋水泥柱支撑，支座的垫板与壳体在侧向焊接组合，因此连接处会存在由于重力断裂的危险[7-9]。本台设备设计的支座详图见图9。

图9 表面凝汽器支座详图Fig.9 Detail of surface condenser support

表面凝汽器支座在运行工况条件下的应力分布见图10，最大应力强度值约为194MPa，发生位置主要集中于筋板交界处，在图11红色区域，对应力最大却与进行应力线性化处理[10]。

图10 表面凝汽器支座应力分布云图Fig.10 Stress distribution nephogram of surface condenser support

图11 表面凝汽器支座应力分布云放大图Fig.11 Stress enlarged nephogram of surface condenser support

根据最大应力位置，按照图12所示选取路径进行应力分类和线性化，得到图13所示结果。

图12 表面凝汽器支座分析路径选取图Fig.12 Analysis path selection picture of surface condenser support

图13 表面凝汽器支座应力线性化结果图Fig.13 Stress linearization results picture of surface condenser support

根据ASME规范Ⅷ中第二册5.2.2.4[3]中许用应力评定细则规定进行分析[11]，对表面凝汽器壳体的应力评定结果表见表4。

表4 表面凝汽器应力评定结果表Tab.4 Stress assessment results table of surface condenser

3 结论

1）采用有限元方法对大型工业表面凝汽器进行了整体应力分析，应力分布较为均匀，依据ASME规范Ⅷ中第二册对凝汽器进行应力评定，凝汽器设计满足强度要求。

2）根据经验壳体壁厚应为30mm，通过ANSYS Workbench进行分析后，壳体采用24mm厚即可满足应力要求，大量降低了材料成本，提高市场竞争力。

3）表面凝汽器的支座设计可以满足现场工况要求，在以后的设计中，应注意对于支座筋板的加强。