高压、高温工况下的集合箱结构探索研究

　　

高压、高温工况下的集合箱结构探索研究

许德强 王守银 安克鹏 张忠发 敬延昭

（兰州兰石换热设备有限责任公司 兰州 730000）

摘要：通过具体零件的设计案例，介绍了集合箱使用有限元分析进行优化设计的方法。经优化设计的集和箱，有效节约了原材料并降低了制造成本。

Abstract: Through the design case of specific parts, the optimization design method of collection box using finite element analysis is introduced. The optimized design of the head effectively saves the raw material and reduces the manufacturing cost.

关键词：耐高压、耐高温集合箱；结构设计；有限元分析

Key words:High pressure and high temperature resistance collection box; Structure design; Finite element analysis

0 引言

本文所述的适用于耐高压、耐高温的集合箱（以下简称集箱）是新型高效紧凑型焊接式热交换器的关键承压部件。集合箱装配于新型高效紧凑型焊接式热交换器进口端和出口端。在进口端，主要作为介质由接管进入设备内部并将介质导入换热核心区域的分配腔体；在出口端，主要作为将介质由换热核心区域汇集并导出设备的腔体。

此处所述的新型高效紧凑型焊接式热交换器由于其具有特殊的结构特点，可适用于苛刻的高温、高压工况。其主要由热侧进口集箱、热侧出口集箱、冷侧进口集箱、冷侧出口集箱、热侧进出口接管、冷侧进出口接管、换热核心体、吊耳、支架、法兰等部件构成。本文主要论述的集箱即为新型高效紧凑型焊接式热交换器中的热侧进口集箱、热侧出口集箱、冷侧进口集箱、冷侧出口集箱、热侧进出口接管、冷侧进出口接管。

上文所述的换热核心体由带有特殊结构的微型通道的热侧金属板片和冷侧金属板片交错叠加构成。热侧金属板片和冷侧金属板片上的微型通道均蚀刻而成，即根据微型通道特点通过特殊工艺曝光制板（与微型通道结构相同的板型）、显影后，将板片要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，没有保护膜的区域形成凹凸或者镂空成型的微型通道。热侧金属板片和冷侧金属板片之间通过真空扩散焊接连接而成。此种特殊的焊接是在一定的真空度条件下，将两个或多个平整光洁的焊接表面（焊接表面通常需符合GB/T3280-2015标准要求的8#表面加工类型）加热到一定的温度，在不加任何焊料或中间金属的情况下，在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，利用焊件接触表面的电子、原子或分子互相扩散转移，并且形成离子件，金属键或者共价键，经一段时间保温，使焊接区的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。由此可见，扩散焊接主要是依靠焊接表面发生微观塑性变流变后，达到紧密接触，使原子相互大量扩散而实现焊接的。因此，焊接过程是在完全没有液相或仅有极小过渡相参加下，形成接头后再经过扩散处理的过程，这使其成分和组织完全与基体一致，能够保持和母材相同的物理、化学、力学性能。因此，换热核心体的特殊结构及特殊制作工艺使其具备在高温、高压工况下的运行。最后，在此种换热核心体的热侧、冷侧进出口分别装配热侧进、出口集箱和冷侧进、出口集箱即组成了新型高效紧凑型焊接式热交换器的主体部分。

此种新型高效紧凑型焊接式热交换器应用领域广泛。在核能领域，第四代核反应堆是目前全球核能的主要发展方向。此种新型热交换器作为中间换热器、高温回热器、低温回热器、冷却器，属其关键核心设备，可大大提高核反应堆的紧凑度及安全性。在超临界CO2发电领域的超临界CO2布雷顿循环发电系统中，此种新型热交换器作为高温回热器、低温回热器、冷却器等核心热交换设备，可满足运行压力15MPa和温度500℃以下的高温高压工况要求。在天然气液化气化领域，此种新型热交换器作为浮式LNG存储再气化装置(FSRU)的热交换设备，具有极高的效率、比体积、安全性和稳定性等优点。

作为本文主要论述的此种新型热交换器的耐高压、耐高温集箱（如图1所示），其整体轮廓为半圆形，两侧端面类似于半圆平盖，接管位于半圆形壳体的中部，介质由接管进入并分布于半圆形壳体的内部。主要作为新型微通道耐高压换热器的壳体，适用于超临界二氧化碳发电、LNG船储能等清洁能源领域的苛刻工况。随着这些装置的升级换代，对此类装置中集箱所能承受的压力、温度要求更高。如果沿用常规结构的集箱，则在更为苛刻的工况下，所需要的集箱壁厚更大，所使用的原材料更多并且集箱本身的制造难度更大、装配焊接难度增高、成本也更大。

图1

在某项目中，设计内压21MPa，设计温度550℃，所用集箱材质为锻件S31608。集箱内径500mm，长度2290mm。材料的力学性能如表1所示。

材料名称	弹性模量（Pa）	泊松比	应力强度许用极限Sm（MPa）,
S31608	1.56x1011	0.3	105

表1 材料性能

由集箱适用工况可以看出，压力和温度均较高。为了校核该高温工况下的集箱的壁厚，现用ANSYS软件建模进行分析计算，并参照JB4732（2005确认）的评定方法来进行结果评定。

1. 分析计算

首先沿用常规结构并采用SOLIDWORKS软件进行集箱的三维模型设计。然后利用ANSYS有限元软件分析计算。应力云图如图2所示，最大应力值为320MPa，超过了许用应力。位置在接管根部，显示接管附近壁厚需要加厚。

图2原结构应力分析结果

2. 结构优化及强度计算

如图2中的分析结果，接管根部的壁厚需要增大，如果将集箱整体加厚以满足设计工况，则使用的原材料较多且制造成本高。现采用优化接管的方法进行设计，将接管结构优化为不规则结构，如图3所示。

图3 优化的结构

分网均采用自适应网格solid187实体单元，具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网（例如通过不同的CAD/CAM 系统建立的模型）。单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。SOLID187可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性，超弹性, 蠕变，应力钢化，大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。因为结构和载荷具有对称性，所以取四分之一模型分析计算。共划分639671个单元、916608个节点。壳体的有限元模型如图3所示。在对称面施加对称约束，在焊接面施加位移约束，在受压面施加设计压力，然后在接管口施加位移约束，边界条件和载荷如图4所示。

图4载荷和边界条件

经计算，壳体的应力云图如图5所示，壳体的位移云图如图6所示。

图5壳体的应力云图

图6壳体的位移云图

设计载荷工况下，根据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）进行应力强度评定。主应力差：S₁₂=σ₁-σ₂; S₂₃=σ₂-σ₃; S₃₁=σ₃-σ₁应力强度：S=Max{|S₁₂|,|S₂₃|,|S₃₁|}

总体一次薄膜应力强度极限为KSm，一次薄膜加一次弯曲应力强度极限为1.5KSm。Sm为许用应力强度。K为组合载荷系数，设计工况下K取1。

应力评定结果如表2所示。 应力线性化路径及结果如图7至11所示。

线性化路径	应力分类	强度校核	评定结果
路径1（接管根部）	Pm	75105	不通过
	Pm+Pb	132<1.5Sm=157.5
路径2（接管）	Pm	77105	不通过
	Pm+Pb	97<1.5Sm=157.5
路径3（半圆壳）	Pm	74105	不通过
	Pm+Pb	97<1.5Sm=157.5
路径4（半圆壳焊接面）	Pm	49105	通过
	Pm+Pb	114<1.5Sm=157.5
路径5（端板）	Pm	27105	通过
	Pm+Pb	113<1.5Sm=157.5

表2应力评定结果

注：Pm-- 一次总体薄膜应力

Pb-- 一次弯曲应力

Sm-- 应力强度许用极限

图7 路径1的应力线性化结果

图8 路径2的应力线性化结果

图9 路径3的应力线性化结果

图10 路径4的应力线性化结果

图11 路径5的应力线性化结果

3.结论

通过对集箱中的接管根部的局部结构优化，再经过上述分析，优化后的集箱强度符合JB4732-1995 《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）的要求。不仅节省材料，而且外形美观。同时，为此种耐高压、耐高温集箱结构的优化设计探索出了一条新的思路。

参考文献：

[1] 张晓慧.基于定位精度的印刷电路板式热交换器结构可靠性研究[J].《石油化工设备》，2021，06：24-29.

[2] 丁源.超临界二氧化碳印刷电路板式换热器设计及应用研究 [J].《工程热物理学报》，2022，05:213-218.

第一作者：许德强，男，出生地：甘肃兰州，工程师，主要研究板式热交换器、板式空气预热器、微通道换热器的结构设计与分析。

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