空冷器复合管束力学建模和数值模拟

　　0 引 言

　　加氢裂化反应流出物空冷器(reactor effluent air cooler,REAC)面临高压、高温差、腐蚀性多相流等苛刻工况,其失效与介质腐蚀性、流动性及传热过程相关,具有明显的局部性、突发性和风险性,此类失效在国内外非常普遍。美国石油学会(API)提出将管束材质提升为incoloy825[1],更换材质虽然能够较好地改善空冷器运行效果,但成本巨大,是普通碳钢成本的10倍。另一方面,空冷器的高压临氢状态和强腐蚀性多相流介质要求其换热管束必须满足强度、刚度和防腐蚀性的要求,同时也要求有严格的传热效率保证[2-3]。采用内衬防腐蚀不锈钢或合金的复合管是一种行之有效的方法,在此基础上进行管束结构创新设计、材料选择、制造工艺研究,可以满足不同工程应用要求[4-6]。本文拟采用外层为低碳钢、内层为不锈钢或合金的复合管束代替普通碳钢管束,应用于加氢裂化反应流出物空冷器,以满足化工企业对设备的平稳长周期运行要求,达到经济、有效、实用的效果。

　　本文以弹塑性力学为基础,建立加氢裂化空冷器复合管束的力学分析控制方程;对典型内衬材料的复合管进行算例分析,其结果可为设计、制造、运行提供理论指导和参考数据。

　　1 结构模型和控制方程

　　1.1 复合管束结构

　　为满足管束耐腐蚀和承载能力强的要求,复合空冷器管束拟以耐蚀不锈钢或者合金材料为内衬管,以普通碳钢材料为复合管束的外管,管束结构如图1所示。衬管与外管之间有一定的过盈配合量,连接方式为胀接。复合管的各层参数表示见表1。

　　根据复合管结构和工作特性,假设内衬不锈钢的复合管在结构、材质和载荷分布等方面均符合轴对称要求,内衬层与碳钢基管内壁紧密贴合。在复合管的力学分析中,应力和应变的关系采用厚壁圆筒弹塑性力学的平面解。

　　1.2 力学控制方程

　　1.2.1 弹性力学基本方程

　　复合管的形状和载荷分布具有轴对称性,可假设其任意横截面在变形后仍保持为平面,力学分析过程转变为平面应变的轴对称问题。

　　在圆柱坐标系(R,H,Z)中,剪应力SrH=SHz=Szr=0,应满足弹性力学基本方程:

　　物理方程

　　平衡方程

　　几何方程

　　变形协调方程

　　其中,物理方程中的柔度矩阵[S]的各分量,由材料的弹性模量及泊松比确定,并且对于各向同性材料和各向异性材料,此比值的确定差别较大[8-9]。

　　1.2.2 热弹性力学方程

　　复合管在温度载荷作用下,分析热应力时,采用热弹性力学的叠加方法,物理方程为: