黃　莉

浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司　杭州　310012

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管殼式廢熱鍋爐撓性管板強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析

黃莉*

浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司杭州310012

摘要介紹撓性管板的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)型式，對(duì)典型的管殼式廢熱鍋爐撓性管板進(jìn)行應(yīng)力分析，得出管板強(qiáng)度計(jì)算的危險(xiǎn)工況(內(nèi)壓與溫差組合的工況)。應(yīng)用GB 150-2011、GB/T 151-2014和西德AD規(guī)范中的計(jì)算方法進(jìn)行撓性管板的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，管板厚度還應(yīng)考慮制造、安裝及運(yùn)輸?shù)囊?。在確定撓性管板厚度時(shí)，須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4732-1995(2005年確認(rèn))進(jìn)行管板圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角應(yīng)力評(píng)定。

關(guān)鍵詞撓性管板應(yīng)力分析強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)角應(yīng)力

換熱器設(shè)計(jì)中，管板的形式有厚管板、薄管板和撓性管板三種。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到很多管板偏厚的情況，尤其厚度超過(guò)60mm時(shí)加工就比較困難。當(dāng)管殼溫差較大時(shí)(即使殼程設(shè)置膨脹節(jié))計(jì)算出的管板厚度往往偏厚，厚管板不僅加工困難，浪費(fèi)材料，對(duì)鉆孔、脹管和焊接等工藝也帶來(lái)諸多問(wèn)題。這就加快了薄管板技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廢熱鍋爐撓性管板的研究和使用已經(jīng)取得了一定的研究成果。

撓性管板是指臥式管殼式余(廢)熱鍋爐的管板強(qiáng)度，主要依靠換熱管及其它元件支撐、并為減小管殼間溫差應(yīng)力在平管板周邊設(shè)置撓性過(guò)渡段的管板[1]。它除了承受內(nèi)壓之外，還能補(bǔ)償和平衡換熱管同殼體之間的溫差應(yīng)力。對(duì)于撓性管板的管板強(qiáng)度計(jì)算到目前尚無(wú)統(tǒng)一的計(jì)算公式，其主要原因是影響管板的強(qiáng)度因素較多，有壓力、溫度、設(shè)備直徑、換熱管中心距、轉(zhuǎn)角處的結(jié)構(gòu)、管板圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角半徑、高溫測(cè)管板及換熱管熱防護(hù)等[2]。常用的撓性管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法有德國(guó)AD規(guī)范、美國(guó)TEMA和標(biāo)準(zhǔn)GB151-2014附錄M等。 其中GB151-2014附錄M主要參考了西德AD規(guī)范、SH/T3158、GB/T16508標(biāo)準(zhǔn)。GB150-2011中增加了受拉撐板厚的計(jì)算方法，也可以進(jìn)行撓性管板的強(qiáng)度計(jì)算，參見(jiàn)GB150.3-2011中的5.12.3。

1撓性管板的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)型式

撓性管板最大的特點(diǎn)是周邊設(shè)置的撓性過(guò)渡段，其較高的柔性相當(dāng)于在殼程設(shè)置了膨脹節(jié)，可以補(bǔ)償管束與殼體之間的熱膨脹值差，減小管板邊緣由變形協(xié)調(diào)引起的二次應(yīng)力，除此之外撓性管板還有的特點(diǎn)[3][4]：① 由于管板很薄，管板上下面溫差應(yīng)力小，特別適用于廢熱鍋爐這種管殼間溫差大的設(shè)備，而且減小管板在工作中的內(nèi)應(yīng)力；② 在制造方面節(jié)省工時(shí)，特別是在鉆孔和脹接加工時(shí)，節(jié)省大量的制造費(fèi)用，但為控制管板加工精度，可能增加制造難度；③ 取材方便，可以直接采用鋼板制造，避免通常情況下諸多困難的鍛造、厚板拼接、熱處理過(guò)程等，特別是不銹鋼和貴重金屬；④ 由于管板厚度較薄，從而增加了定長(zhǎng)換熱管的有效傳熱長(zhǎng)度及換熱面積，在一定程度上能改善換熱器的換熱效果。撓性管板結(jié)構(gòu)形式分為兩種：Ⅰ型管板和Ⅱ型管板[1],其中Ⅰ型又分為三種結(jié)構(gòu)，Ⅱ型又分為兩種結(jié)構(gòu)，基本上包含了所有的撓性管板結(jié)構(gòu)型式，其具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見(jiàn)GB151-2014附錄M圖M.2和圖M.3。

2撓性管板應(yīng)力分析

一般的固定管板式換熱器引起管板應(yīng)力的載荷有壓力(管程壓力Pt，殼程壓力Ps)、管殼熱膨脹差及法蘭力矩[5]。本文討論的管殼式廢熱鍋爐和管殼式熱交換器差不多，屬于壓力容器的范疇，其具體結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1。由于管板與殼體直接焊接，撓性管板的應(yīng)力主要由內(nèi)壓和管殼溫差引起。本文按管程壓力Pt和殼程壓力Ps(假設(shè)Ps、Pt同為正壓)及管殼溫差單獨(dú)作用時(shí)，進(jìn)行管板的應(yīng)力分析，以此來(lái)研究管板強(qiáng)度計(jì)算的危險(xiǎn)工況。

圖1　管殼式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)

2.1內(nèi)壓下管板的邊界力

管板、管束系統(tǒng)在Ps作用下，解除筒體與管板之間的相互約束，由于各元件的應(yīng)力情況不同，則它們邊緣自由位移也是不同的。此時(shí)作用于管板管橋面積上的Ps產(chǎn)生軸向載荷，此載荷使所有換熱管均勻拉長(zhǎng)(假設(shè)此時(shí)管板可自由移動(dòng))，管板可左右移動(dòng)，熱端管板左移，冷端管板右移，使管板端部產(chǎn)生軸向載荷(殼程圓筒內(nèi)徑上單位圓周長(zhǎng)度受力)：PsRs/2(Rs指殼程筒節(jié)中徑)。

殼程圓筒在Ps徑向作用下直徑增大，產(chǎn)生環(huán)向拉伸薄膜應(yīng)力，由于泊松效應(yīng)殼程圓筒長(zhǎng)度縮短，徑向發(fā)生膨脹，它與管板端部的自由變形不相一致，其連接面上因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生相互作用。徑向發(fā)生脹大的殼程圓筒對(duì)管板端部產(chǎn)生向外的剪力Qs，同時(shí)管板端部阻止圓筒向外脹大，會(huì)產(chǎn)生相反的剪力，此力為一對(duì)自平衡內(nèi)力。在Qs作用下，殼程圓筒和管板端部在發(fā)生徑向位移的同時(shí)端面會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為使兩者的端面偏轉(zhuǎn)保持一致，則必然會(huì)在端面上引起一對(duì)彎矩Ms[6]，見(jiàn)圖2。

圖2　管板受內(nèi)壓及管殼溫差的邊界力

由于管程筒體內(nèi)徑較殼程筒體內(nèi)徑小100mm，其受力點(diǎn)在管程圓筒與管板的焊接處(圖2)。當(dāng)Pt作用時(shí)，則發(fā)生相反的情況，在管板與管程圓筒焊接點(diǎn)處產(chǎn)生與由Ps作用時(shí)相反的應(yīng)力，從而產(chǎn)生相反的變形。由此得知Ps與Pt共同作用時(shí)(假設(shè)壓力均為正壓)，管板的應(yīng)力相互抵消。為此在進(jìn)行管板的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不考慮Ps與Pt均為正壓或負(fù)壓共同作用時(shí)的工況。

2.2管殼溫差下管板的邊界力

假設(shè)管子材料平均溫度為tt，殼體材料平均溫度為ts，假設(shè)tt>ts。令管殼材料線膨脹系數(shù)相同，即管殼間將產(chǎn)生熱膨脹差Δ。在自由變形條件下，管束由于熱膨脹將自由變形伸長(zhǎng)Δt，殼程圓筒由于熱膨脹產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)Δs，由于tt>ts，則Δt>Δs，由此管殼產(chǎn)生熱膨脹差Δ(Δ=Δt-Δs)。為了消除熱膨脹差，自由變形伸長(zhǎng)較小的殼程筒體將對(duì)自由伸長(zhǎng)較大的管板產(chǎn)生軸向力VΔ，在VΔ作用下管板發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生彎矩MΔ(圖2)。

對(duì)于管殼式廢熱鍋爐，換熱管中都是高溫氣體，所以管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹差，即tt>ts。由圖2可知Ps為正壓且與管殼熱膨脹差同時(shí)作用時(shí)，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，管板受力增大，可能成為管板強(qiáng)度計(jì)算的危險(xiǎn)工況。Pt為負(fù)壓且與管殼熱膨脹差Δ同時(shí)作用時(shí)，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，管板受力增大，也可能成為管板強(qiáng)度的危險(xiǎn)工況。此結(jié)論與文獻(xiàn)7中的“管板應(yīng)力最大工況均為溫差載荷與殼程壓力同時(shí)作用的工況”相一致。

3管板的強(qiáng)度計(jì)算

3.1模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該管殼式廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，管板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，各部分材質(zhì)及力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖3　管板結(jié)構(gòu)尺寸

從圖3可見(jiàn)，在管板上部有一弓形非布管區(qū)，為了降低此區(qū)域的應(yīng)力水平和變形，提高管板的強(qiáng)度，加裝了4根與換熱管同規(guī)格的拉撐管和4個(gè)角撐板，用以承受管板的軸向應(yīng)力。采用德國(guó)AD規(guī)范、GB151-2014附錄M和GB150-2011中的5.12.3受拉撐的板厚計(jì)算方法進(jìn)行管板強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

表1　廢熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　廢熱鍋爐各部分材質(zhì)及力學(xué)性能

3.2計(jì)算

3.2.1AD規(guī)范

為了充分發(fā)揮管子對(duì)管板的加強(qiáng)作用，AD規(guī)范提出只需考慮非布管區(qū)及布管區(qū)與非布管區(qū)交界處的管板強(qiáng)度，將管子作為固定支撐，即將管板視作管子固定支撐下的圓平板，計(jì)算其最大無(wú)支撐區(qū)的平板強(qiáng)度。此方法只考慮管板的局部彎曲應(yīng)力，但因管板實(shí)際厚度取決于制造所要求的最小厚度，其實(shí)際使用效果良好。據(jù)此建立的管板厚度公式[8][9]：

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算得管板最小需要的厚度為10.3mm。

3.2.2GB 151-2014附錄M

GB151-2014附錄M撓性管板強(qiáng)度計(jì)算主要參考了西德AD規(guī)范、SH/T3158、GB/T16508標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算式：

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算得管板厚度為12.3mm。

3.2.3GB 150-2011

GB150-2011拉撐板的計(jì)算厚度主要參考了JISB《壓力容器拉撐所支撐的板》，主要適用于以棒材、管材及板材支撐的壓力容器平封頭、管板等的計(jì)算。此方法的具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)《壓力容器》GB150-2011問(wèn)題解答及算例表28，可以用SW6零部件中拉撐平蓋進(jìn)行計(jì)算：

(3)

根據(jù)式(3)計(jì)算得管板厚度為11.7mm。

3.3結(jié)果分析

以上三種規(guī)范計(jì)算管板厚度相差不大，GB151計(jì)算厚度偏保守。管板厚度δ還應(yīng)考慮腐蝕余量C1、鋼板厚度負(fù)偏差C2和制造、安裝及運(yùn)輸?shù)囊蠛穸圈?：

δ=δ1+C1+C2+δ2

(4)

由于撓性管板圓弧過(guò)渡區(qū)處在換熱管與筒體的連接部位，換熱管和筒體的軸向剛度很大，內(nèi)壓和溫差載荷造成換熱管和筒體之間的相對(duì)變形量大部分轉(zhuǎn)嫁到圓弧過(guò)渡區(qū)，在此處造成高應(yīng)力分布[11]。而增加管板厚度，管板可變形能力差，引起轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力增大，當(dāng)管板厚度達(dá)到一定值后，轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力就無(wú)法滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。并且轉(zhuǎn)角處因受力復(fù)雜，且屬于撓性支撐，標(biāo)準(zhǔn)公式無(wú)法考慮這些因素，因此標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算出的管板厚度的可靠性存在一定的隱患，需要使用有限元分析軟件對(duì)這些部位進(jìn)行核算[11][12]。δ2切不可憑感覺(jué)隨便取值，需在圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角應(yīng)力分析合格的條件下選取。不要盲目的認(rèn)為，增加管板厚度就越安全，大多數(shù)情況下，增加厚度就等于增加了危險(xiǎn)。

在進(jìn)行撓性管板強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算出的管板厚度δ不一定能滿足管板圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力評(píng)定的要求，因此應(yīng)按照此厚度對(duì)管板圓弧過(guò)渡區(qū)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。采用有限元法進(jìn)行實(shí)體建模，對(duì)管殼程壓力載荷和溫度載荷同時(shí)作用的正常操作工況下的換熱器進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力分析理論[13]，評(píng)定圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力。如果管板此處的應(yīng)力評(píng)定不合格，則需要調(diào)整管板厚度直至評(píng)定合格為止。

4結(jié)語(yǔ)

(1)管板在同為正壓的Ps與Pt共同作用時(shí)，管板的受力是相反的，所以管板強(qiáng)度計(jì)算不需考慮Ps與Pt同為正壓的組合工況，管板的危險(xiǎn)工況組合應(yīng)是內(nèi)壓與管殼溫差同時(shí)作用。

(2)三種方法計(jì)算出管板厚度相差不大，計(jì)算出的管板厚度滿足強(qiáng)度要求，管板的名義厚度需考慮制造、安裝及運(yùn)輸?shù)囊笊约佑嗔浚擞嗔亢穸鹊倪x擇需要考慮管板圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角應(yīng)力。

(3)撓性管板的轉(zhuǎn)角應(yīng)力復(fù)雜且是高應(yīng)力分布區(qū)，計(jì)算管板強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)公式無(wú)法考慮此應(yīng)力，且此應(yīng)力受管板厚度影響很大，所以在確定管板厚度的時(shí)候，需進(jìn)行管板圓弧過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)角應(yīng)力評(píng)定。

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(收稿日期2015-10-30)

*黃莉：工程師。2011年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

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