硫磺回收装置蒸汽过热器集合管有限元分析

（山东三维石化工程股份有限公司青岛分公司， 山东 青岛 266071）

随着世界经济的迅猛发展，工业化进程不断提速，现代工厂中的硫磺回收装置不仅作为一个企业工艺流程的末端装置，更成为大型煤化工、天然气净化、炼油及化工厂不可缺少的配套装置。从硫磺回收装置出来的尾气在尾气焚烧炉中燃烧，将残留的H2S转化为SO2，同时为蒸汽过热器和尾气余热锅炉提供热量，最后将符合要求的尾气通过烟囱排向大气。蒸汽过热器与尾气焚烧炉的联合使用，有效减少了尾气中SO2的排放量，同时回收热量，节能减排，保护环境。

蒸汽过热器结构中集合管与换热管连接部位是最容易出问题的部位，本文利用ANSYS软件，结合某石化装置中蒸汽过热器结构，建立了集合管以及三排相邻的换热管的三维有限元模型，并对其进行了有限元分析，得出结论。

1 有限元模型的建立

蒸汽过热器集合管以及换热管的材质均为12Cr1MoVG，材料属性见表1，有限元模型选取SOLID185八节点实体单元进行网格划分。

表1 主要材料特性

2 约束条件及载荷施加

集合管以及换热管有限元模型的载荷边界条件如下：

(1)在集合管内表面、换热管内表面施加4.9MPa内压。

(2)集合管一端端面施加内压产生的等效轴向力。

(3)换热管底部端面施加内压产生的等效轴向力。

集合管以及换热管有限元模型的位移边界条件为：在集合管另一端端面施加全约束。

3 计算结果及应力评定

计算后整体应力强度云图见图1，最大应力强度为144MPa，发生在垂直方向换热管与集合管内表面连接处。局部放大图如图2所示。

为评定此处的应力情况，过最大应力点沿集合管壁厚方向定义路径为1，在45°方向换热管与集合管连接处在此位置最大应力点处沿集合管壁厚方向定义路径为2，在上述位置处应评定一次局部薄膜应力以及一次加二次应力强度。

图1 开孔部位整体应力强度云图

图2 开孔部位应力局部放大图

Path1、Path2的应力线性化结果见图3、图4。表2为路径Path1、Path2下的一次局部薄膜应力和一次加二次应力的评定表。

图3 路径Path1的应力强度分布图

图4 路径Path2的应力强度分布图

表2 路径Path1、Path2下的一次局部薄膜应力和一次加二次应力的评定表Path1上的应力强度评定

4 结论

应用有限元软件ANSYS对该部位进行应力分析，根据JB4732对应力分析结果进行评定，结果表明，该集合管与换热管的连接满足校核条件，故此结构是安全可靠的。

结合管与换热管焊接的部位是应力比较大的部位，应注意提高焊接质量，选择质量优良的制造单位。

集合管上的工艺管口应尽量少，并尽量采用拔制结构。