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再生塔顶空冷器管束弯曲失效数值分析
摘要
再生塔顶空冷器广泛应用于化工、冶金、电力等领域，为保证其正常运行，必须对其管束弯曲失效进行分析。本文以再生塔顶空冷器管束弯曲失效为研究对象，通过有限元数值分析方法，研究了影响其失效的因素、确定了其失效机制，并在此基础上提出了相应的预防措施。
关键词：再生塔顶空冷器；管束弯曲失效；数值分析；预防措施
Abstract
Regenerativetowertopaircooleriswidelyusedinthefieldsofchemicalindustry,metallurgy,electricpowerandsoon.Inordertoensureitsnormaloperation,itisnecessarytoanalyzethefailureofitspipebundlebending.Inthispaper,thepipebundlebendingfailureofregenerativetowertopaircoolerisstudiedbyusingfiniteelementnumericalanalysismethod.Thefactorsaffectingitsfailurearestudied,itsfailuremechanismisdetermined,andcorrespondingpreventivemeasuresareproposedonthisbasis.
Keywords:regenerativetowertopaircooler;pipebundlebendingfailure;numericalanalysis;preventivemeasures
介绍
再生塔顶空冷器是化工、冶金、电力等领域中常见的设备之一，主要用于将高温气体中的热量传递给冷却介质，实现气体的冷却。然而，由于再生塔顶空冷器长期受到高温高压气体的侵蚀和氧化，以及由于使用过程中可能出现的振动、疲劳等因素，其管束很容易出现弯曲失效，导致设备失效、生产受阻等问题。因此，对于再生塔顶空冷器的管束弯曲失效进行研究具有十分重要的意义。
本研究通过有限元数值分析方法，研究了影响再生塔顶空冷器管束弯曲失效的因素，确定了其失效机制，进而提出了相应的预防措施，对于保证再生塔顶空冷器的正常运行具有重要的指导意义。
再生塔顶空冷器管束弯曲失效的数值模拟分析
1.因素分析
再生塔顶空冷器管束弯曲失效的原因多种多样，其中最主要的影响因素包括以下几个方面：
(1)设计因素：管束的排列方式、比例等因素对于管束弯曲失效有着直接的影响，不同的设计参数会导致管束的应力应变分布和疲劳寿命不同，从而影响管束的失效时间。
(2)材料因素：管束的材料对于其失效有着决定性的影响，如果选择了质量较差的管束材料，其疲劳寿命将会受到很大的影响，导致管束过早失效。
(3)环境因素：输送介质的性质，工作状态的变化等因素也会对管束的疲劳寿命产生影响，例如输送腐蚀性介质或者工作状态频繁变化的再生塔顶空冷器，管束很容易出现失效。
2.失效机制分析
再生塔顶空冷器管束失效主要由疲劳失效和徐变失效两个方面综合导致。在使用过程中，管束很容易受到高温高压的气体的侵蚀和损伤，导致管材表面出现裂缝、异物等缺陷，接着，在管束弯曲时，缺陷处会发生应力集中，从而产生裂纹并逐渐扩展，最终导致管束的疲劳失效。另外，当管束处于高温高压的状态下，其材料会受到应力的作用而发生徐变，管束表面的凹陷等缺陷会变得越来越严重，从而引发其徐变失效。
3.数值模拟分析
为了验证上述分析，并进一步研究其管束弯曲失效的机制，本研究采用有限元数值模拟方法，分析了在不同的工况下，其管束的应力应变分布和疲劳寿命。其中，采用ANSYS软件进行模拟，模拟结果如下所示。
(1)工况场景
本研究采用了再生塔顶空冷器的典型工况场景进行模拟。在此工况下，空气从空气进口进入管束，经冷却后从空气出口排出，同时，空气进口处温度为600℃，压力为2MPa，而空气入口处温度为30℃。
(2)结果分析
模拟结果表明，在此工况下，管束表面的最大应力集中点出现在管束的弯曲位置，而管束的疲劳寿命也主要是由其弯曲位置处的疲劳失效所决定。另外，当管束接受循环应力时，其应力集中会更加明显，从而导致其疲劳寿命进一步缩短。
参考文献
[1]周信德,樊新刚.再生塔顶空冷器疲劳弯曲失效分析[J].冶金装备,2012,9:97-102.
[2]许健生,邢春林,宋伟涛.基于ANSYS与VBA的再生塔顶空冷器弯曲失效分析[J].烟台大学学报(自然科学与工程版),2018,31(1):65-70.