大型工業(yè)表面凝汽器結構的有限元分析

王尚峰 劉秋實 張玉輝 王 懿 何振岐

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司；2.中海殼牌石油化工有限公司）

0 引言

表面凝汽器廣泛應用于石油、化工、機械等眾多領域，它的作用在于將工業(yè)汽輪機排氣冷凝成水，從而建立真空并且維持真空的環(huán)境。正是由于表面凝汽器的特殊用途，其具有殼體直徑大、殼程真空度高和支撐結構復雜等特點，如何保證表面凝汽器支撐結構的剛度和強度，并且在材料成本和設備安全之間找到一個平衡點，成為本篇文章的主要內容。

目前水冷式表面凝汽器有相應的國家設計標準JB/T 10085-1999《汽輪機表面式凝汽器》[1]、美國設計標準HEI2629-2012《Standards for Steam Surface Condensers》[2]，但對于表面凝汽器剛性支撐的設計計算并沒有詳細要求。因此文中以某換熱面積為14 200平方米的水冷式表面凝汽器項目為例，這臺凝汽器的殼體直徑為4 900mm，殼體長度為16 000mm，由于殼體受壓為真空狀態(tài)，其受力特點是由設備外部的大氣壓向設備內部施壓，所以殼體內部采用了環(huán)形工字鋼和軸向直工字鋼相結合的支撐形式。采用UG創(chuàng)建三維實體模型，用ANSYS Workbench對其進行整體有限元應力分析計算，并按ASME規(guī)范Ⅷ中第二冊《Rules for Construction of Pressure Vessels》[3]對表面凝汽器進行強度評定。為我國發(fā)展大型工業(yè)表面凝汽器設計提供參考。

1 表面凝汽器有限元模型

1.1 技術參數(shù)

表面凝汽器主要技術參數(shù)見表1。

表1 表面凝汽器主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of surface condenser

1.2 三維實體模型

本臺表面凝汽器的殼程中，環(huán)向支撐采用8根環(huán)型加強筋，型號為GB/T706-2008《熱軋型鋼》[4]槽鋼20b，材料為Q345D，延長度方向均勻布置；縱向支撐采用6根直加強筋，型號為GB/T706-2008《熱軋型鋼》[4]工字鋼20b，材料為Q345D，延周向等分布置。利用UG軟件創(chuàng)建三維實體模型，簡化模型見圖1。殼體內部支撐工字鋼詳圖見圖2。

圖1 表面凝汽器三維模型圖Fig.1 3D model of surface condenser

圖2 殼體內部支撐工字鋼詳圖Fig.2 Detail of shell internal support

1.3 有限元模型

將三維模型導入ANSYS Workbench中，并對模型進行有限元網格剖分[5]。網格劃分單元類型采用三維Soild187單元[6]，單元總數(shù)為235 150，節(jié)點總數(shù)為454 669。得到有限元網格模型見圖3[8]。

圖3 表面凝汽器有限元網格模型圖Fig.3 Finite element mesh model of surface condenser

1.4 材料屬性及邊界條件

表2 材料屬性表Tab.2 Material property

材料屬性見表2。

根據本臺表面凝汽器的使用工況和支撐型式，邊界條件定義為四個支座固定約束[7]。

2 有限元應力計算結果與分析

2.1 表面凝汽器殼體應力分析

表面凝汽器殼體在運行工況條件下的應力分布見圖4，由圖可以看出設備整體應力分布十分均勻，最大應力強度值約為320MPa，發(fā)生位置在圖5紅色區(qū)域，對應力最大卻與進行應力線性化處理[8]。

圖4 表面凝汽器殼體應力分布云圖Fig.4 Stress distribution of surface condenser shell

圖5 表面凝汽器殼體應力分布云放大圖Fig.5 Stress enlarged distribution of surface condenser shell

根據最大應力位置，按照圖6所示選取路徑進行應力分類和線性化[9]，得到圖7所示結果。經過計算，表面凝汽器的整體形變見圖8，其最大形變量為12.36mm，最大形變位置為喉部處，分析得出喉部的板材壁厚為24mm，而最大形變量小于喉部板材厚度，故滿足設計要求。

圖6 表面凝汽器殼體分析路徑選取圖Fig.6 Analysis path selection picture of surface condenser shell

圖7 表面凝汽器殼體應力線性化結果圖Fig.7 Stress linearization results picture of surface condenser shell

圖8 表面凝汽器整體形變云圖Fig.8 Overall deformation nephogram of surface condenser

根據ASME規(guī)范Ⅷ中第二冊5.2.2.4[3]中許用應力評定細則規(guī)定進行分析，對表面凝汽器殼體的應力評定結果表見表3。通過此表可以看出，膜應力的應力限制與計算應力之比為2.42，大于規(guī)范中要求的1，即為該應力評定結果是安全通過的。膜應力+彎曲應力的組合應力的應力限制與計算應力之比為1.13，大于規(guī)范中要求的1，該應力評定結果也是安全通過的。這樣就可以判定本設備整體強度和剛度的穩(wěn)定性計算通過。

表3 表面凝汽器應力評定結果表Tab.3 Stress assessment results table of surface condenser

2.2 表面凝汽器支座應力分析

由于表面凝汽器支座處于筒體的中心水平處，由四根鋼筋水泥柱支撐，支座的墊板與殼體在側向焊接組合，因此連接處會存在由于重力斷裂的危險[7-9]。本臺設備設計的支座詳圖見圖9。

圖9 表面凝汽器支座詳圖Fig.9 Detail of surface condenser support

表面凝汽器支座在運行工況條件下的應力分布見圖10，最大應力強度值約為194MPa，發(fā)生位置主要集中于筋板交界處，在圖11紅色區(qū)域，對應力最大卻與進行應力線性化處理[10]。

圖10 表面凝汽器支座應力分布云圖Fig.10 Stress distribution nephogram of surface condenser support

圖11 表面凝汽器支座應力分布云放大圖Fig.11 Stress enlarged nephogram of surface condenser support

根據最大應力位置，按照圖12所示選取路徑進行應力分類和線性化，得到圖13所示結果。

圖12 表面凝汽器支座分析路徑選取圖Fig.12 Analysis path selection picture of surface condenser support

圖13 表面凝汽器支座應力線性化結果圖Fig.13 Stress linearization results picture of surface condenser support

根據ASME規(guī)范Ⅷ中第二冊5.2.2.4[3]中許用應力評定細則規(guī)定進行分析[11]，對表面凝汽器殼體的應力評定結果表見表4。

表4 表面凝汽器應力評定結果表Tab.4 Stress assessment results table of surface condenser

3 結論

1）采用有限元方法對大型工業(yè)表面凝汽器進行了整體應力分析，應力分布較為均勻，依據ASME規(guī)范Ⅷ中第二冊對凝汽器進行應力評定，凝汽器設計滿足強度要求。

2）根據經驗殼體壁厚應為30mm，通過ANSYS Workbench進行分析后，殼體采用24mm厚即可滿足應力要求，大量降低了材料成本，提高市場競爭力。

3）表面凝汽器的支座設計可以滿足現(xiàn)場工況要求，在以后的設計中，應注意對于支座筋板的加強。