内含鼓胀式热交换器的反应缩合釜的振动特性研究
Study on vibration characteristics of reaction condensation kettle with bulging heat exchanger
王治军，张涛，王森，王保卫，黄立龙，段琪成
Wangzhijun, Zhangtao, Zhuhaizhou, Wangbaowe,i Huanglilong, Duanqicheng
（兰州兰石换热设备有限责任公司 兰州 730000）
（Lanzhou Lanshi Heat Exchange Equipment Co. LTD Lanzhou 730000）
摘要：本文运用solidworks simulation软件模拟计算了内含鼓胀式热交换器的反应缩合釜鼓胀板对的第一阶固有频率、最大应力分布位置，对比加固前和加固后的两种方案，确定加固效果。为此类设备如何高效抵抗振动提供了一种新的思路。
Abstract:In this paper, solidworks simulation software is used to simulate and calculate the first order natural frequency and the maximum stress distribution position of the bulging plate pair of the reaction condensation reactor containing the bulging heat exchanger, and compare the two schemes before and after reinforcement to determine the reinforcement effect. It provides a new idea of how to resist vibration effectively for this kind of equipment.
关键词： 内含鼓胀式热交换器的反应缩合釜、结构加固、模拟计算
Key words: Reaction condensation kettle with bulging heat exchanger, structural reinforcement, simulation calculation
反应缩合釜是一种专用设备，从整体结构来说，此类设备通常外部为壳体，内部进行化学或物理反应并且发生热量交换，比如实现蒸发、冷凝等功能。通常反应缩合釜由外部罐体、搅拌器、密封装置、支撑装置、热交换装置、进出口接管、等构成。罐体的尺寸、热交换装置的换热面积、搅拌器的转速、搅拌轴上桨叶的尺寸及支撑装置结构可根据用户需求及相应的设计参数进行方案设计。此处的支承装置有支承式或耳式支座等。
反应釜缩合釜的密封通常如下所示：
a、在常压或低压条件下通常采用填料型密封。此处所指的常压或低压条件通常为压力小于0.2MPa。
b、在一般中等压力或抽真空情况通常采用机械密封。此处所指的一般中等压力或抽真空情况通常为压力小于0.4MPa或负压工况。
c、在高压或介质挥发性高的情况下通常采用磁力密封。此处所指的高压工况是压力超过1.4MPa以上。另外，除了磁力密封均采用水降温外，其他密封形式在超过120摄氏度以上会增加冷却水套。
反应釜缩合釜的应用领域：电力、炼油、合成橡胶、印染、制药、化工和食品加工等领域。此类产品通常能够完成硝化、硫化、烃化、聚合、缩合、氢化等工艺流程。常见的分解器、反应器、聚合釜均属于此类设备。镍基合金、碳钢、奥氏体不锈钢及其它复合板材料均可以制作此类设备。
具体来说，反应缩合釜主要由罐体、封头、搅拌轴、支撑裙座、介质进口接管、介质出口接管、鼓胀板对、滑动支耳组件、几字板、固定支耳组件、紧固件、环形管、弯头、连接管、Z字板、管架、连接板、耳板、垫板等构成（如图1和图2所示）。
图1
图2（鼓胀板对）
罐体、封头、支撑裙座为设备的外部壳体结构。罐体和封头的内部为冷侧介质。同时，罐体和封头上设置了冷侧介质进口接管、冷侧介质出口接管。支撑裙座为设备整体的支撑结构并通过紧固件与现场的基础进行连接。另外，支撑裙座上设置了检修人孔，便于对罐体底部进行检修。
板对为设备的热交换元件。板对在罐体内部的空腔内沿圆周方向布置且处于搅拌轴的外侧。板对根据结构的不同及底边条钻孔位置的不同分为a型、b型、c型、d型。同时，板对可根据热交换负荷的不同进行相应尺寸值及板对排布数量的设计。单件板对包括板片、接管、堵板、板条、分程板条，是由两张不锈钢薄板通过四周电阻焊接加鼓胀成型（在鼓胀成型前，将已完成电阻焊接的两张板片按一定间距及排布方式进行点焊。点焊需进行相应的撕裂试验。）并在板对短边位置设置介质进出口接管的方式装配而成。按此种方式装配，板对内部即形成了热侧介质流动的腔体。另外，板对通过特殊模具压型整体呈圆弧状，便于圆周排列布置。介质通过接管进入板对内部，板对内部的分程板条将进入的介质进行分程，实现相应的传热需求。在板对的四周边缘设置了板条，对板对进行加固，也便于板对之间的连接。此外，上述的接管结构较为特殊，其为一端圆口，另一端扁平且插入板对内部的结构，插入板对的部分（接管插入板对的部分设置长圆孔，便于介质分配）与板片进行焊接。此种结构便于板对与外部接管的连接。上文所述的板条与板对的对接接头进行100%液体渗透检测并且达到Ⅰ级合格的要求。在板对的板条上按一定间距布置了多个圆孔，通过Z字板及紧固件将多件板对连接在一起并按圆周排列。另外，板对的板条上布置的另一些孔可通过装配几字板、滑动支耳组件、固定支耳组件及紧固件的方式，将板对与罐体连接固定。
滑动支耳组件由侧板、滑块、滑块套、螺钉、导向板构成，其主要用于几字板与罐体的连接。滑动支耳组件的折弯侧通过紧固件与板对连接，另一端通过焊接与罐体连接。此部件内部的各零件之间通过紧固件进行连接。侧板上设置长圆孔，通过长圆孔可将板对长度方向的热膨胀进行补偿。
固定支耳组件由侧板、滑块、滑块套、螺钉、导向板构成，其主要用于几字板与罐体的连接。固定支耳组件的折弯侧通过紧固件与板对连接，另一端通过焊接与罐体连接。此部件内部的各零件之间通过紧固件进行连接。侧板上设置圆孔。
几字板截面形状为“几”字型，沿长度方向布置了圆孔，其一端与板对通过紧固件进行连接，另一端通过焊接与滑动支耳组件、固定支耳组件连接。
环形管由多段已弯制过的钢管拼合成一整圆，每段钢管上设置有多个圆孔。此处的小圆孔与板对的介质进出口进行连接，大圆孔与设备的连接管进行连接。此处的连接管一端连接环形管，另一端连接设备的介质进出口管道。环形管的主要作用是将进入设备的介质均匀分布到每个板对中。
Z字板用于板对之间的连接固定，其截面为“Z”字形并按板对圆周布置的方式进行排列。Z字板采用特殊工艺双向折弯而成，其上设置有圆孔，通过紧固件与板对边缘部分的圆孔进行匹配连接。
管架主要由螺栓、螺母、耳板、管箍、管套、支板、加强筋构成，其作用是固定设备内部管线，一端与板对连接，另一端与内部管线连接。此部件中的耳板上设置有圆孔，通过紧固件将耳板与板对进行固定。管箍由两件弧形薄板构成，薄板内表面贴附有管套。管箍通过螺栓、螺母夹持固定设备的内部管线，管套为聚四氟乙烯材质，起缓冲作用。支板为折弯的钢板，其一端与板对通过紧固件连接固定，另一端与管箍焊接连接。
导向柱、轴套、底座、支筋构成了板对底部的支撑结构。其中，支筋一端与板对连接，另一端与底座连接。底座为内部中空的圆柱形构件，其一端与下封头焊接，另一端与支筋连接。导向柱位于底座的内部，起导向作用。轴套位于底座与导向柱之间。
搅拌轴主要由圆轴、搅拌桨、搅拌轴套等构成。圆轴位于罐体中心，搅拌桨装配在圆轴上。搅拌轴主要作用是将罐体内的介质混合均匀，提高换热效率。
支撑裙座主要由筒体、环板、三角筋、人孔等构成。其中筒体与罐体焊接连接，环板与现场基础通过紧固件连接，三角筋与筒体、环板焊接连接。筒体对罐体起支撑作用，三角筋起加强作用，人孔便于操作人员对罐体底部进行维修。
介质进出口管道主要由钢管、弯头、法兰等构成。
上述为反应缩合釜的结构特点，本文主要研究其振动特性。
1.为了研究反应缩合釜现有结构振动特性，现利用solidworks simulation软件计算反应缩合釜板对的第一阶固有频率、最大应力分布位置
2.材料参数、分析模型及边界条件
2.1在200℃下反应缩合釜板对的材料参数。
在200℃下反应缩合釜板对的材料参数如表1所示，其中的应力强度许用极限Sm取自GB/T 150.2-2011（第62页）的表11，其中的弾性模量取自GB/T 150.2-2011（第84页）的表B.13。
材料名称 | 弹性模量（Pa） | 泊松比 |
S31603 | 1.83x1011 | 0.3 |
表1
2.2分析模型及边界条件
共划分1238926个单元、2589711个节点。有限元模型如图3.1所示。在板对螺栓孔处施加位移约束，边界条件如图3.2所示。
图3.1有限元模型
图3.2 边界条件
板对分析的结果
当前结构的板对（即加固前）的第一阶固有频率为63.44赫兹，如图4.1所示。加固前的最大应力位置在内侧螺栓孔处，数值为287兆帕，如图4.2所示。加固前的板对外侧螺栓孔处应力值为138兆帕，板对下端中心应力值为133兆帕，如图4.3所示。
图4.1加固前的第一阶固有频率
图4.2加固前的最大应力位置及数值
图4.3加固前的板对外侧螺栓孔和板对下端中心应力值
根据上述分析结果，须对板对内侧螺栓孔处进行加固。结合结构特点，在相应合理位置增多内侧螺栓孔数量，即增加板对连接固定点的数量。
按加固方案绘制新模型并分析计算。加固后的第一阶固有频率为75.57赫兹，如图4.4所示。加固后的最大应力位置在内侧螺栓孔处，数值为86.1兆帕，如图4.5所示。
图4.4加固后的第一阶固有频率
图4.5加固后的最大应力位置及数值
结论
加固后，第一阶固有频率提高，且应力值下降，因此板对抵抗振动的能力变强，不易发生共振现象，即不易产生裂纹等损伤。
通过对反应缩合釜板对加固前和加固后的模拟分析结果的对比，在板对相应位置进行合理的结构优化，即可提高反应缩合釜的抗振动能力。因此，本文的研究为此类设备抵抗振动能力提供了一种新的思路。
参考文献：
[1]侯振宇.支撑刚度对反应釜振动的影响[J].《石油化工设备》，2012，05：77-79.
[2]李小虎.搅拌反应釜振动分析及结构优化[J].《化工机械》 ，2020，01:33-37.
第一作者：王治军，男，出生地：辽宁朝阳，工程师，主要研究焊接式板式热交换器、可拆卸板式热交换器、板式空气预热器的结构设计与分析。
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