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        U型管高壓給水加熱器有限元分析

        2014-10-15 09:14:44張志剛
        機(jī)電信息 2014年18期
        關(guān)鍵詞:水室熱應(yīng)力管板

        張志剛

        (上海交通大學(xué),上海200240)

        0 引言

        某1 000MW超超臨界機(jī)組所配置的U型管、臥式、單列高壓給水加熱器(以下簡(jiǎn)為高加),是國(guó)內(nèi)首次研制的百萬千瓦級(jí)單列高加。與同等級(jí)機(jī)組的雙列高加相比,單列高加設(shè)計(jì)尺寸更大,管板結(jié)構(gòu)特別厚重。與雙列高加相比,在同等的特殊運(yùn)行工況下,會(huì)使管板承受更大的熱應(yīng)力及熱負(fù)荷沖擊。半球形水室封頭與管板連接處是運(yùn)行工況變化而產(chǎn)生應(yīng)力沖擊最惡劣的地方,隨著機(jī)組參數(shù)變化以及單列高加的流量增加,這些薄弱環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格把關(guān),確保安全。

        本文應(yīng)用PATRAN/NASTRAN有限元分析軟件,對(duì)高加管板上呈正三角排布的換熱管所圍成的管板單元進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。同時(shí),對(duì)高加半球形水室進(jìn)行汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全開(VWO)工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析,并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

        1 高加結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)

        1.1 高加結(jié)構(gòu)尺寸

        A6、A7、A8高加管板水室結(jié)構(gòu)和幾何尺寸完全相同,水室鍛件壁厚為220mm,球面內(nèi)半徑為1 300mm。管板外徑為3 040mm,管板厚度680mm,管板和水室球殼間均勻過渡,過渡半徑為120mm。

        管板上換熱管按中心距21mm正三角形排列,管子外徑16mm,壁厚2.5mm。管板厚度/孔心距=680/21=32.38>2,屬于“厚管板”。因此,其當(dāng)量彈性模量與管板厚度無關(guān)。管板的孔間帶效率為0.23,等效彈性系數(shù)為0.3,當(dāng)量泊松比為0.41,強(qiáng)度削弱系數(shù)為0.4。

        A6高加筒體為外徑2 910mm、壁厚55mm、筒體軸心與管板軸心同心的圓柱筒。A7高加筒體為外徑2 830mm、壁厚90mm、筒體軸心相對(duì)于管板軸心下移65mm的圓柱筒。A8高加筒體為外徑2 730mm、壁厚115mm、筒體軸心與管板軸心同心的圓柱筒。

        1.2 高加各部位的材料屬性

        高加各部位的材料屬性如表1所示。

        表1 高加材料屬性

        2 換熱管管間溫度場(chǎng)分析

        高加管板的換熱管按正三角形排列,換熱管在管板上所圍成的區(qū)域如圖1所示。取管子所圍區(qū)域的1/6作為計(jì)算區(qū)域,如圖2所示。單元?jiǎng)澐謺r(shí),采用四面體單元Tet-4,網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為8 999個(gè),單元總數(shù)為47 372個(gè)。

        圖1 換熱管所圍成的區(qū)域

        圖2 有限元計(jì)算區(qū)域

        有限元模型上施加的邊界條件:管內(nèi)水與管壁之間為對(duì)流換熱。高加進(jìn)水溫度220℃,水管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)15 500W/(m2· ℃),管板初始溫度20℃。采用瞬態(tài)分析,取計(jì)算時(shí)間為15s,時(shí)間步長(zhǎng)為1s。經(jīng)計(jì)算,管壁和管板的溫度變化情況如圖3所示。

        圖3 不同時(shí)刻管板單元的溫度場(chǎng)分布

        從圖3可以看出在管子中注入熱水后管板的溫度變化情況。在16s的時(shí)間內(nèi)基本達(dá)到溫度平衡,因此可以認(rèn)為布管區(qū)的管板能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度平衡,注水產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)管板布管區(qū)的影響較小。

        3 高加VWO工況的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析

        3.1 有限元模型的建立

        如圖4所示,取A6高加垂直剖分的一半作為計(jì)算區(qū)域,采用四面體單元Tet-4,有限元模型建立完成后的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為44 838個(gè),單元總數(shù)為239 529個(gè)。

        圖4 高加水室正面網(wǎng)格圖

        3.2 VWO工況下穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析

        高加進(jìn)水溫度191.2℃,出水溫度220.8℃,進(jìn)水設(shè)計(jì)壓力39MPa,抽汽壓力2.353MPa。

        采用穩(wěn)態(tài)分析,分別得到高加的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布,如圖5、圖6所示。

        圖5 A6高加VWO工況溫度分布

        圖6 A6高加VWO工況熱應(yīng)力+壓力應(yīng)力分布

        通過計(jì)算,得到最大熱應(yīng)力為44.2MPa,最大壓力應(yīng)力為269MPa,同時(shí)考慮溫度、壓力和重力作用時(shí)的最大綜合應(yīng)力為273MPa。這些應(yīng)力最大值都發(fā)生在管板上非布管區(qū)的管板與水室的過渡段內(nèi)表面。

        3.3 高加的強(qiáng)度考核

        采用等效線性化方法,利用合力等效和合力矩等效原理,將有限元法計(jì)算結(jié)果近似分解成薄膜應(yīng)力和彎應(yīng)力,分別求出一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次彎曲應(yīng)力Pb、一次局部薄膜應(yīng)力Pl和二次應(yīng)力Q。根據(jù)應(yīng)力分類的強(qiáng)度校核方法,在給定最小許用應(yīng)力Sm的條件下,用如下準(zhǔn)則進(jìn)行許用應(yīng)力考核[1]:(1)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm≤KSm;(2)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pl≤1.5 KSm;(3)一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pl+Pb≤1.5 KSm;(4)一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度Pl+Pb+Q≤3Sm(K 為載荷組合系數(shù),這里取1)。

        采用上述方法,分別求出一次總體薄膜應(yīng)力Pm=96.9MPa;一次彎曲應(yīng)力Pb=120.85MPa;一次局部薄膜應(yīng)力Pl=96.9MPa;二次應(yīng)力Q=44.2MPa。根據(jù)應(yīng)力分類的強(qiáng)度校核方法,在給定最小許用應(yīng)力Sm=163MPa的條件下,用如下準(zhǔn)則進(jìn)行許用應(yīng)力考核:(1)Pm=96.9MPa<KSm=163MPa;(2)Pl=96.9MPa<1.5 KSm=244.5MPa;(3)Pl+Pb=217.75MPa<1.5 KSm=244.5MPa;(4)Pl+Pb+Q=261.95MPa<3Sm=489MPa。

        在管板布管區(qū),計(jì)算的最大熱應(yīng)力為15.1MPa,最大壓力應(yīng)力為93.3MPa,同時(shí)考慮溫度、壓力和重力作用時(shí)的最大綜合應(yīng)力為96.9MPa。這些應(yīng)力最大值都發(fā)生在管板布管區(qū)內(nèi)。

        同樣采用等效線性化方法,將計(jì)算結(jié)果近似分解成薄膜應(yīng)力和彎應(yīng)力,分別求出一次總體薄膜應(yīng)力Pm=41.97MPa;一次彎應(yīng)力Pb=22MPa;一次局部薄膜應(yīng)力Pl=41.97MPa;二次應(yīng)力Q=41.97MPa。根據(jù)應(yīng)力分類的強(qiáng)度校核方法,在給定最小許用應(yīng)力Sm=65.2MPa的條件下,用如下準(zhǔn)則進(jìn)行許用應(yīng)力考核:(1)Pm=41.97MPa<KSm=65.2MPa;(2)Pl=41.97MPa<1.5 KSm=97.8MPa;(3)Pl+Pb=63.97MPa<1.5 KSm=97.8MPa;(4)Pl+Pb+Q=105.94MPa<3Sm=195.6MPa。

        根據(jù)上述應(yīng)力校核結(jié)果,A6高加管板設(shè)計(jì)滿足應(yīng)力考核條件,是安全的。由于在管板的布管區(qū)主要承受水室的壓力應(yīng)力,溫度應(yīng)力相對(duì)較小,而A6的水室壓力最大,因此在A6布管區(qū)滿足強(qiáng)度要求后,A7、A8的布管區(qū)應(yīng)力必然滿足強(qiáng)度要求,故不必進(jìn)行校核。

        用同樣的方法對(duì)A7、A8高加進(jìn)行分析,為節(jié)省篇幅,這里不再贅述。最終的強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果如表2所示。

        表2 強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果 單位:MPa

        4 結(jié)論

        (1)在VWO工況下,3個(gè)高加的壓力應(yīng)力相差不大,因?yàn)榻o水壓力相等,抽汽壓力相差也較小。(2)A7的熱應(yīng)力較其他2個(gè)高加的熱應(yīng)力明顯增大,其原因是A7的給水進(jìn)、出口溫度相差達(dá)到57℃,而A6只有29℃,A8只有20℃。(3)通過強(qiáng)度校核,可知3個(gè)高加在最危險(xiǎn)的VWO工況下都是安全的。

        [1]李建國(guó),壽比南.JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》綜述[J].壓力容器,1995(4)

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