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LNG多股流缠绕管式换热器结构分析设计

作者:未知

  摘 要:大型铝制缠绕管式换热器因其优越的性能广泛应用于天然气液化装置,由于结构的独特性,其预冷段下部受力较为复杂,而目前对这些关键部位的研究并不多。本文利用大型有限元分析软件对换热器预冷段的支撑结构、下端管板及其周围结构在不同工况条件下进行了有限元分析,并对其进行应力评定,结果表明结构满足强度设计要求,整体结构设计的经济性和安全性较高。
  关键词:LNG;缠绕管;换热器
  中图分类号:TH703 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)16-0058-02
  近年来缠绕管式换热器以其结构紧凑、传热系数大、效率高、操作压力高等优点,广泛应用于用于大型陆上天然气液化工厂和大型FLNG液化装置。根据管程介质的多少,缠绕管式换热器可以分为单股流型和多股流型,多股流型能够实现同时处理多种介质的换热。根据管板的位置和结构,其有两种典型的结构:整体管板结构和带有小管板结构,整体管板具有结构简单、制造方便等优点,但当壳程压力过大和管程流股过多时,其厚度增加明显,且给换热管的缠绕、管路识别、管箱和管板的焊接等增加了困难;带有小管板结构的缠绕管式换热器的最大优点是不用整体锻造管板,管板金属质量明显减少,根据工艺要求其可以分布在封头、筒体上。目前对LNG缠绕式换热器的结构分析多来于多年的生产经验,特别是大型铝制绕管式换热器的设计、制造均存在一定技术瓶颈,对其进行研究具有广阔的应用前景。本文针对工信部“关于LNG绕管式换热器制造关键技术研究”的科研项目中的缠绕管式换热器,介绍了其关键结构的分析设计过程。如图1为FLNG液化工艺过程中的缠绕管式换热器设备简图。
  1 模型的有限元分析
  1.1 计算模型材料及尺寸
  在建立有限元模型前,对缠绕式换热器设备进行简化,未对换热管建模,将管程压力直接施加在管板孔内壁上。考虑到焊缝尺寸是焊缝焊透深度的函数,具有可变性,增加了有限元模型的复杂性,且对本研究影响不大,而是将焊缝材料看成与母材性质一样的材料来处理。
  图2为力学分析模型在LNG缠绕管式换热器下段预冷段的最下部,其分析环境为预冷段换热器的设计环境,因此分析温度设为60℃。
  表1是根据JB/T 4734-2002《铝制焊接容器》查得的其物理性能参数。本文根据TSG 21-2016《固容规》中注3-3关于采用分析设计方法材料的许用应力计算方法,以降低材料成本。采用分析设计的方法提高材料的许用应力,对制造单位的制造能力、焊接质量和检测能力提出更高的要求,在设计的同时,对换热管与管板的连接等重要部分进行试验,且对重要的焊缝进行100%射线检测,以保证结构的可靠性。
  1.2 划分网格
  划分网格前对模型进行切分,得到比较规则的部分,划分网格功能,对规则的筒体采用扫略方法,筒体厚度划分为六层,对于不规则的部分采用四面体网格,筒体开孔、带小管板筒体和支撑结构区域通过控制网格单元大小对其进行加密网格划分,裙座和底板等不受内压作用可以适当放大网格单元大小以减少计算机负担,提高计算效率。
  1.3 载荷分析与考虑工况
  因为结构不具有对称或轴对称,需要对整个模型进行应力分析和强度评定,这里所要考虑的载荷主要包括:壳程压力、管程压力、预冷段换热器绕管体重量和除分析对象重量外整个LNG缠绕管式换热器的重量。仅对以下三种工况进行分析:管程压力单独作用、壳程压力单独作用和管、壳程压力同时作用,三种工况下都对裙座底板进行固定约束。
  2 应力分析结果与讨论
  2.1 管程压力单独作用
  仅管程压力作用时,管板Ⅰ、管板Ⅱ、管板Ⅲ、管板Ⅳ等的换热管孔内壁分别施加5.5MPa、3.7MPa、5.5MPa、3.7MPa的压力,除建模部分外设备和介质作用在筒体横截面的轴向压应力为0.8447MPa,预冷段绕管体和管程介质作用在中心筒的轴向压应力为3.8350MPa,管板Ⅰ、管板Ⅱ、管板Ⅲ和管板Ⅳ的凸肩截面轴向拉应力分别为14.1086MPa、14.3158MPa、14.0223MPa和14.3465MPa。
  按照第三强度理论得到应力分布云图和位移分布云图,管板、支撑结构和中心筒链接区域、支撑结构和筒体链接区域受力和变形较为严重,而其他结构影响较小。最大应力值是34.38MPa,出现在离管板Ⅱ内侧中心最近两个换热管孔之间,这是由于管板Ⅱ中心位置没有换热管孔,导致受力不平衡,而其他三个管板中心位置都布有换热管孔。总体上受内压5.5MPa的管板Ⅰ和管板Ⅲ比受内压3.7MPa的管板Ⅱ和管板Ⅳ受力严重,且都是中部受力严重,向外围逐步减弱。
  最大位移值是0.321mm,发生在中心筒上,中心筒承载预热段绕管体和绝大部分管程介质的重量,且没有施加壳程压力,支撑结构受力而挤压中心筒导致其变形。
  2.2 壳程压力单独作用
  仅壳程压力作用时,壳程筒体内表面受内压为2.5MPa,除建模部分外设备和介质作用在筒体横截面的轴向拉应力为23.5456MPa,预冷段绕管体和管程介质作用在中心筒的轴向压应力为3.8350MPa,封头接管横截面轴向拉应力为0.9737MPa,开孔接管法兰外表面轴向压应力为3.8349MPa。
  按照第三强度理论得到应力分布云图,最大应力值是142.46MPa,发生在壳程筒体与接管链接处过渡圆角内表面上,开孔接管造成结构不连续,导致局部应力集中。在接管与壳体的内外相贯线上应力水平较高,而离开孔接管区,应力值较小。在开孔接管相贯区附近,应力梯度很大。在封头上开孔接管也出现稍微的应力集中,同样是发生在接管与封头连接处内表面,但是接管的外径为85mm,相对较小,因此应力集中程度很小。由于预冷段绕管体和管程介质重力作用在中心筒和支撑结构上,导致支撑结构和筒体链接处与中心筒与支撑结构连接处都出现不同程度的应力集中,前者程度�^为严重。另外,封头、壳程筒体和裙座的焊接造成结构不连续,但是裙座不受内压作用,因此在裙座受力不严重,而焊接位置附近封头出现一定的应力集中。   按照相应的位移云图,最大位移值为1.73mm,出现在靠近接管侧筒体上边缘,开孔对筒体造成一定的损伤,导致这侧筒体变形较大,在接管附近由于筒体受压而变形较大,而厚度较大的管板反而对筒体的强度起到一定的加强作用。
  2.3 管、壳程压力同时作用
  当管、壳程同时作用时按照第三强度理论得到应力分布云图,最大应力值是142.47MPa,根据相应的位移分布云图,最大位移值为1.7385mm。最大应力位于在壳程筒体与接管链接处过渡圆角内表面上,最大位移同样位于在靠近接管侧筒体上边缘。同时施加管、壳程压力,主要影响管板和筒体连接区域,对其他结构影响不是很大,因此最大应力和最大位移与壳程压力单独作用时变化并不大,而管板布管区、管板与筒体连接区域的应力相对管程单独作用时明显增加。
  2.4 应力评定
  参照JB/T 4732-1995《钢制压力容器―分析设计标准》对分析对象中筒体开孔接管、支撑结构与筒体连接部分、管板与筒体连接部分、管板等的组合应力进行分类评定,筒体开孔接管、支撑结构与筒体连接部分、管板与筒体连接部分等区域由于结构不连续而导致应力集中,主要是弯曲应力,其组合应力可按二次应力进行评定,管板的应力主要是由压力引起的,可按一次应力进行评定。
  从以上三个工况下应力分析结果可以看出,管程压力、壳程压力单独作用时最大应力的位置和两程压力同时作用时基本一致,且没有后者应力大,各部件材料设计温度下的许用应力[σ]t=83MPa,一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用极限1.5[σ]t=124.5MPa,一次加二次应力强度的许用极限3[σ]t=249MPa,从表评定结果可以看出管板及各部件连接处的应力满足强度要求。
  3 结语
  本文通过对LNG缠绕管式换热器的关键部位进行建模和力学分析,并在壳体压力单独作用、管程压力单独作用和管壳程压力同时作用等三种工况分�e对其进行力学分析,根据分析结果并对两程压力同时作用工况进行应力评定,其满足强度设计要求。
  参考文献
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