大型立式换热器裙座大半锥顶角可靠性研究

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]。

3.2 基于ANSYS的结构非线性屈曲分析

非线性屈曲分析的理论基础是用一种逐渐增大载荷的非线性静力学分析来求得结构开始变得不稳定时的临界载荷。以设备在稳定工况下操作进行分析，设置非线性材料、几何结构大变形响应、载荷步长，施加相应载荷值。计算出临界载荷点，各结果云图如图6所示，局部放大图如图7所示。

结合载荷值与载荷步长，各结构分析结果如表2所示。

图5 4种结构应力场云图（局部放大）

由表2可知，随半锥顶角角度的增大，屈曲载荷因子逐渐减小，当半锥顶角为30°时，屈曲载荷因子为18.3，有较大的余量。

4 结论

（1）在裙座厚度、热箱高度及裙座高度一致的前提下，经有限元求解，沿裙座自上而下分别取多个路径起始点，并沿裙座厚度方向取路径，采用应力分类法进行评定，可知各结构相同位置路径评定值相差不大，说明半锥角大小的改变对裙座强度的影响不大。

（2）半锥顶角变化与中间裙座能够承受的轴向载荷有明显的关联，分析可得屈曲载荷因子随角度的增大而减小。通过对屈曲载荷因子的比对，不难发现，屈曲载荷因子与锥壳半顶角的余弦平方近似于正比关系。

（3）通过非线性屈曲分析可知，当锥壳半锥顶角为30°时，裙座在承载18.3倍的设备重量时才会失稳，余量较大。因此，设计立式换热器中间裙座时，锥壳半锥顶角可超过15°。

图6 4种结构屈曲分析云图（放大3倍）

表2 裙座半锥顶角与屈曲载荷因子

图7 4种结构屈曲分析局部放大云图