廢水蒸發(fā)器環(huán)形管板的分析設(shè)計(jì)

金東杰，賈金付，安東，郭云龍

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

廢水蒸發(fā)器是高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM）液廢處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于高溫氣冷堆放射性液廢的濃縮。廢水蒸發(fā)器采用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，該管板結(jié)構(gòu)較為特殊，是一種中間大開孔的環(huán)形管板。環(huán)形管板的設(shè)計(jì)在我國現(xiàn)行換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 151—2014[1]標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定，壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4732—1995[2]和現(xiàn)有的其他各國規(guī)范也都未給出相應(yīng)的計(jì)算方法，本文首先初步估算環(huán)形管板的厚度，再采用有限元法對該管板的強(qiáng)度進(jìn)行校核，進(jìn)而對其安全性進(jìn)行評價(jià)。

1 廢水蒸發(fā)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

廢水蒸發(fā)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

表1 廢水蒸發(fā)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Main design parameters and structural dimensions of waste water evaporator

1.2 工作原理

廢水蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，上部為蒸發(fā)室，下部為換熱室。換熱室由120 根φ38 mm×3 mm 換熱管組成，換熱管中央有一根直徑較大（φ273 mm×6 mm）的管子，稱為中央循環(huán)管。由于中央循環(huán)管的截面積較大，因此單位體積溶液占有的傳熱面積相對于換熱管來說就小。從廢液入口通入放射性液廢，加熱室通入加熱蒸汽進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)，中央循環(huán)管和換熱管內(nèi)的廢液被加熱的程度顯然不同，換熱管內(nèi)汽液兩相混合物的平均密度小于中央循環(huán)管。加之廢液沸騰產(chǎn)生的蒸汽上升時(shí)的抽吸作用，于是廢液發(fā)生從中央循環(huán)管下降，到換熱管上升的不斷循環(huán)運(yùn)動[3]，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)室最終從蒸發(fā)室頂部經(jīng)過氣液分離后排出。

1.3 環(huán)形管板結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，環(huán)形管板布置在加熱室上下兩端內(nèi)徑Di= 700 mm 的筒體上。換熱管采用φ38 mm×3 mm 無縫鋼管，單根管長L= 1 050 mm，共120 根，管板換熱管處開孔φ38.40 mm，換熱管按正三角形排列，管間距S= 48 mm，換熱管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹方式連接。管板中央為φ273 mm×6 mm 的中央循環(huán)管，中央循環(huán)管與管板采用強(qiáng)度焊方式連接。環(huán)形管板的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 廢水蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of waste water evaporator

圖2 環(huán)形管板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ring tube sheet

2 環(huán)形管板厚度的初步估算

將環(huán)形管板開孔處視為在管板布管區(qū)按照原布管密度全部布滿換熱管的當(dāng)量管板，再應(yīng)用GB/T 151 中的管板計(jì)算方法，采用修改后的換熱管彈性模量，對管板進(jìn)行計(jì)算。

轉(zhuǎn)換后管板的換熱管根數(shù)為157 根，采用正三角形布置，計(jì)算的管板厚度為36 mm?？紤]中心孔開孔的削弱，環(huán)形管板的估算厚度取50 mm。

3 環(huán)形管板的有限元分析計(jì)算

本章將利用ANSYS 有限元分析軟件建立三維實(shí)體模型進(jìn)行環(huán)形管板的熱分析和結(jié)構(gòu)分析。

3.1 有限元計(jì)算模型

將環(huán)形管板、筒體、換熱管和中央循環(huán)管建立有限元計(jì)算模型。根據(jù)廢水蒸發(fā)器環(huán)形管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模型可簡化為對稱結(jié)構(gòu)。殼程筒體分析長度取總長度的一半，沿?fù)Q熱管的縱向?qū)ΨQ面切開取其1/4 建立相應(yīng)的有限元模型，如圖3 所示。這對于單純壓力載荷，其結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)是一致的；對于溫度載荷，沿軸向是不存在對稱性的，但作為對稱處理是出于溫度差偏于高值考慮的，實(shí)際的結(jié)果偏于保守。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將換熱管和殼體厚度方向劃分3 層網(wǎng)格，管板厚度方向劃分5 層網(wǎng)格。熱態(tài)分析時(shí)采用Solid70 單元，結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用Solid186 單 元。

圖3 換熱器1/4 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation for quarter model of heat exchanger

3.2 載荷與約束條件

分析中根據(jù)廢水蒸發(fā)器實(shí)際操作時(shí)的情況，共考慮以下兩種不同的載荷：

（1）溫度載荷：熱分析為熱傳導(dǎo)分析。中央循環(huán)管內(nèi)部溫度為20 ℃，換熱管內(nèi)部20 ℃，殼程金屬壁溫160 ℃，管程側(cè)管板壁溫20 ℃，殼程側(cè)管板壁溫160 ℃，出于溫度差偏于高值的考慮，溫度場計(jì)算結(jié)果實(shí)際上偏于保守。

（2）機(jī)械載荷：為了簡化計(jì)算，在延長部分兼作法蘭的三維有限元分析中，將螺栓預(yù)緊力處理為直接加在螺栓孔內(nèi)表面上的均布載荷，根據(jù)不同工況在殼程和管程內(nèi)表面上施加壓力載荷。

（3）約束條件：模型結(jié)構(gòu)的橫、縱向?qū)ΨQ剖面施加對稱約束，管板法蘭密封面處施加軸向墊片壓緊力和周向約束。

3.3 分析工況

實(shí)際分析中按JB/T 4732—1995，共考慮四種工況，見表2。

表2 環(huán)形管板各工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of ringtube sheet under various working conditions

3.4 分析求解

首先進(jìn)行整體穩(wěn)態(tài)溫度場分析，通過求解得到模型的整體溫度分布。將溫度載荷與結(jié)構(gòu)載荷耦合，分別對表2 中的四種工況進(jìn)行應(yīng)力分析求解，分析計(jì)算結(jié)果見圖4 ～ 7。從圖4 ～ 7 可以看出，中央循環(huán)管的存在僅對其附近的管板應(yīng)力有較大影響，管板的應(yīng)力并未因中央循環(huán)板的出現(xiàn)有明顯變化。

圖4 僅考慮管程壓力作用的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram under working condition with only tube side pressure

3.5 結(jié)果分析

為簡化計(jì)算，保守處理，在考慮膨脹差的工況下，壓力載荷取設(shè)計(jì)壓力。針對不同工況，按JB/T 4732—1995 中的應(yīng)力分類法進(jìn)行管板強(qiáng)度校核。分別在管板中間循環(huán)管開孔附近、管板與殼體連接處附近、管板未開孔與開孔的接茬處和管板中間部位選取4 條路徑。路徑A1-4，B1-4、C1-4 和D1-4 沿管板厚度方向，根據(jù)JB/T 4732—1995，各路徑線性化評定結(jié)果列于表3，結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

表3 不同工況下管板應(yīng)力強(qiáng)度評定Table 3 Stress intensity evaluation of tube sheet under different working conditions

4 結(jié)論

環(huán)形管板不能直接應(yīng)用GB/T 151—2014 進(jìn)行計(jì)算，本文首先將環(huán)形管板視為中心均勻開孔的普通圓管板，再采用GB/T 151—2014 進(jìn)行管板厚度的初步估算。最后在估算基礎(chǔ)上留有一定的裕量，得到環(huán)形管板的實(shí)際設(shè)計(jì)厚度。有限元分析表明，環(huán)形管板中心孔的出現(xiàn)僅在其附近對管板應(yīng)力有較大影響，本文設(shè)計(jì)的廢水蒸發(fā)器環(huán)形管板強(qiáng)度滿足要求。

圖5 僅考慮管程壓力并計(jì)入膨脹差后應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram under working condition with tube side pressure and temperature

圖6 僅考慮殼程壓力作用的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram under working condition with only shell side pressure

圖7 僅考慮殼程壓力并計(jì)入膨脹差后應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram under working condition with shell side pressure and temperature