【技术讨论】一台非常规大直径高温换热器设计问题分析(1)
1. 设计参数
换热器型式：固定管板式换热器；
管壳程壳体内径：Φ2600mm；
壳程设计压力和设计温度0.35MPa/FV, 505℃；
管程设计压力和设计温度0.35MPa, 580℃；
壳程平均金属壁温：328℃；
管程平均金属壁温：404℃；
换热管规格：Φ25×2mm；
换热管长度：6000mm；
换热管数量：3514；
2. 设计问题分析
本换热器设计压力不高，主要问题在于设计温度太高，管程设计温度为580℃，所以需从高温角度去分析：
(1) 主体材质选取：在580℃高温下，最常用的高温材料CrMo钢也已不适用，只能选取不锈钢，最常用的不锈钢就是S30408和S30409，这两种材料的区别是含碳量的不同，S30409的含碳量比S30408高一点，在硬度和强度方面比S30408略好，但两者在设计温度下的许用应力是相同的，最终选择综合机械和力学性能稍好的S30409板材、管材及锻件。
(2) 管板形式的选取：最常用的是BEM，即管板兼作法兰的形式（e型），但显然对于高温换热器需考虑到BEM型式管板法兰及垫片的密封性能，高温下法兰和垫片均容易变形，导致密封性能很差，会造成介质的泄露；因而最终选取了管箱与管板一体的焊接结构型式（b型）。
(3) 膨胀节的设置：因管壳程金属平均壁温温差较大，由温差产生的二次热应力很大，必须通过增加膨胀节来缓解温差应力，膨胀节的尺寸及设置个数可根据温差引起的位移按标准进行选取或采用非标设计，一切需基于计算。
(4) 其它特殊结构：支撑形式采用刚性环耳式支座，接管采用与壳体对接的马鞍形锻管等，此处不再赘述。
3. 常规计算时遇到的两个致命的问题
笔者最初以为常规设计完全能够计算，可是有些问题只有在做的过程中才会发现，而且是以前没遇到过的问题，计算中发现的两个致命问题直接导致管板无法进行计算。
问题(1)—管板无法计算：管壳程壳体、接管等的计算都没问题，问题出现在管板计算的时候，在用SW6进行管板计算的时候出现以下报错信息，后我找到M06的文件打开后查出无法计算的原因是：温度超限， S30409管材的材料温度下限和上限分别20℃和550℃，但需注意的是这里的温度下限和上限并非是材料许用应力的上下限，因在580℃时S30409是有许用应力的，这里的下限和上限是指屈服强度的上下限，即在580℃时S30409管材没有屈服强度。
问题(2)—没有S30409管材的屈服强度管板无法计算的原因：根本原因并不是管板无法计算，因为管板计算与管材的屈服强度没有任何关系，而是在计算换热管稳定许用压应力时的系数Cr需要通过设计温度下的屈服强度ReLt来计算（如下公式所示），才能最终计算换热管的稳定许用压应力，没有屈服强度就无法计算换热管的稳定许用压应力，因而最终导致管板部分无法进行计算。
问题(3)—可不可以通过手动增加S30409管材屈服强度来使得SW6可以计算：笔者也尝试过在数据库管理系统中自定义材料的屈服强度，虽然GB150中最高只有550℃的屈服强度，但600℃的屈服强度经与技术总监沟通可通过设计温度下的许用应力乘以1.5倍的系数来计算，所以笔者自定义了屈服强度值（如下图所示），580℃的屈服强度则可由软件通过线性插值求得，但另一个问题又出现了，虽然自定义了屈服强度，但是SW6中无法同时将一种材料的所有特性都进行自定义，如定义了屈服强度、弹性模量和线膨系数等参数，则无法定义材料的许用应力，即自定义屈服强度的材料无许用应力还是无法进行计算，所以此方法不可行。
问题(4)—已确定SW6无法进行计算的时候，最终只能采用ANSYS进行管板应力的校核，那么我们首先要先确定管板初始厚度进行初始建模和计算，经与技术总监沟通后，先将管程设计温度降低到SW6可以计算的温度值进行管板计算，确定管板的初始厚度值，但就在这个时候另一个致命的问题又出现了（如下所示）：此时管板周边不布管区的无量纲宽度＞1，而管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比ρt=Dt/Di=0.766＜0.8，已超出GB/T151的适用范围，即管板的计算模型已不再适用。Φ2600mm直径的换热器满布管的时候有5400多根，但工艺基于他们的换热面积要求只提出布置3514根换热管，这就造成管板未布管区面积很大，进而出现了上述的管板布管区当量直径太小管板计算模型不再适用的情况。
问题(5)—管板初始厚度最终是如何确定的：（一）将管板简化为平盖模型按平盖计算公式计算厚度；（二）按Φ2600mm的直径满布管降低设计温度到SW6能计算的情况计算管板厚度；（三）按布管区域的小直径计算管板厚度；管板的初始厚度取上述三种计算结果中的大值作为ANSYS建模进行应力分析的初始厚度。
