蒸汽冷凝罐的设计与强度校核

赵昊 张乐

一、引言

随着我国经济的高速发展，各个产业规模连年壮大，相应的工业废水量也在逐年增长。电力、化工、冶金和食品等行业产生的工业废水大多是高盐废水，被污水处理行业认为是高处理难度废水。高盐废水的直接排放行为已经被环境保护部门明令禁止，可见其危害之大。先进的MVR蒸发结晶技术可以高效地实现盐分从水中分离，具有很好的实用性和经济性。蒸汽冷凝罐是蒸发系统中使用量很大的必需设备，以此为例进行有限元强度分析，探索有限元分析工具在MVR蒸发系统中的应用价值。

二、罐体概述

蒸汽冷凝罐是整个蒸发系统中的工作设备之一，罐体内的压力由罐顶的泄压阀调节，始终保持与蒸发系统的其他设备压力一致。由于主蒸发器为真空负压，蒸汽冷凝罐体内工作压力也相应为负压。因此，蒸汽冷凝罐属于真空容器，须采用GB150的外压容器设计原则。罐体的设计是稳定性计算，对罐体壁厚的计算是为了防止罐体在负压作用下发生壳体失稳。罐体的工作尺寸如表1所列。

1、壁厚计算

2、压力试验计算

试验压力值P=1.25Pc =0.125MPa。压力试验允许通过对应力水平[σ]≤0.9σs =405MPa。

三、有限元建模

1、建立三维模型

蒸汽冷凝罐的三维模型由专业三维设计软件绘制，模型尺寸采用SI（mm）国际单位制，根据生产工艺图纸1：1实现，如图1所示。依据GB150的要求，罐身材料选用具备耐腐蚀和高强度的2205标准双相不锈钢材质。

2、建立有限元模型

有限元分析依据强度理论，将三维模型导入到ABAQUS有限元分析工具中，对表现宏观应力不起关键作用的零部件进行简化处理，以突出主体工作部位工况条件下的力学响应，同时提高计算速度。要建立蒸汽冷凝罐有限元分析模型，必须输入必要的材料参数和边界条件。再通过合理的网格划分，对有限元模型进行必要的前处理。

在有限元软件中，也采用SI（mm）国际单位制，输入罐体的材料参数。其中，罐身材质为标准双相不锈钢2205，由ASME规范的材料数据，常温下该材料最小力学性能的数值如表2所列。高温下（38～316℃）的最大许用应力范围是155～139MPa，热膨胀系数（20～100℃）为1.3 e-5mm/℃。

ABAQUS软件提供了非常方便高效的网格划分手段，蒸汽冷凝罐体适用壳单元模型。蒸汽冷凝罐罐体的网格单元共计32 368个，节点共计32 756个。罐体与底座采用一维刚性连接，法兰与罐体设置为共节点，划分结果如图2所示。

3、载荷与约束

为避免流体运动带来的微观力学响应部分，将罐体内部液体视为相对静止。将罐体自重、液体的重力以及工况时负压作为主要的宏观力学考查因素。蒸汽冷凝罐所受载荷主要有三部分：第一部分为空载时罐体的自重；第二部分为静水压力，即水压；第三部分为蒸发系统工作时抽真空带来的负压，即外压。

四、结果分析

1、有限元分析

利用有限元软件对模型受自重、水压和负压的综合作用进行计算。得到Mises应力分布和位移分布云图，Mises应力云图如图3所示，位移分布云图如图4所示。

从图3中能够清楚地看到应力集中部位及其应力值的大小。应力最大部位发生在支座与罐体连接位置，即罐体底部支座与罐体接触部位，最大Mises应力为21MPa，如图5所示。另一处应力较大部位发生在罐体底部，Mises应力17MPa，如图6所示。两处的最大应力都远低于材料的屈服强度，证明罐体的设计强度足够。

从图4中可见，最大位移发生在罐体顶部的法兰端部，最大位移量0.6mm，相较于罐体总尺寸而言，工况条件下的位移量非常小，可以忽略不計，证明罐体的设计刚度足够。

2、强度校核

罐体在工况条件下，除了自重外，还有水重，这里合并计算，有限元模型提取罐体自重96.2kg，液体体积212L。

计算冷凝罐体负压造成的外压影响，即空气对罐体外壁的压强，然后将压强作为载荷加载到压力容器外表面。由于罐顶泄压阀的调节作用，罐体内的负压始终保持与蒸发系统的压力一致，因此不论罐体内是空载还是满载，负压的影响不变。统计罐身处从罐底至罐顶的应力和位移分布，如图7所示。

综合分析可知，罐体顶部由于抽真空的作用，负压影响最大；罐体的底部因为受到罐体自重和液体重力的作用，重力影响最大。另外，上下封头焊接处的刚度最强，应力影响相对较小。综合可见，在罐体顶部易产生失稳风险，在罐体底部受力最大，易发生应力集中。

五、结论

◎依据国标GB150设计原则计算罐身的许用应力，确定通用钢板厚度能够满足设计要求；

◎对罐体进行三维建模，并基于强度理论合理划分网格，以提高计算精度；

◎根据设计和工况条件，确定边界条件和载荷，模拟计算满载时的罐体受力响应；

◎通过模拟结果分析和强度校核，发现易发生失稳风险的部位在罐体顶部、底部和支座连接处。但是经过计算，危险发生的概率非常低，几乎可以忽略，进而验证了罐体设计的合理性和有限元模型的有效性。