李小汝，黃 娟，覃才友

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校 機(jī)電工程系，德陽(yáng) 618000）

0 引言

高壓給水加熱器（高加）是核電和火電提高熱經(jīng)濟(jì)性的重要鋪機(jī)。由于高加承受的汽水參數(shù)較高，工作環(huán)境惡劣，因此高加的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造、檢修和運(yùn)行都提出了很高要求，一旦發(fā)生故障停運(yùn)，將會(huì)影響電廠安全經(jīng)濟(jì)發(fā)電，甚至造成設(shè)備和人員傷亡。高加作為一種大型的高壓高溫的換熱設(shè)備，其設(shè)計(jì)制造存在一定的技術(shù)難度，所以大多數(shù)從國(guó)外引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，甚至材料和零部件等也是從國(guó)外購(gòu)入，大多數(shù)的技術(shù)數(shù)據(jù)和指標(biāo)來(lái)源于國(guó)外，缺乏對(duì)我國(guó)具體情況的驗(yàn)證性分析和實(shí)驗(yàn)[1,2]。

隨著高壓加熱器向著大型化、高參數(shù)、復(fù)雜化方面發(fā)展，常規(guī)的靠經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)壓力容器零部件的方法受到了限制[3]，使用有限元方法進(jìn)行壓力容器的設(shè)計(jì)和分析已經(jīng)越來(lái)越普遍。許建民，王曉清[4]等人模擬了波節(jié)管換熱器的應(yīng)力分布情況，并與試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。楊宏悅，蔡紀(jì)寧[5]對(duì)某大型固定管板換熱器管板進(jìn)行了溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，并提出了溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)迭代計(jì)算的必要性。為簡(jiǎn)化帶膨脹節(jié)固定管板換熱器的有限元計(jì)算，周林探討了簡(jiǎn)化膨脹節(jié)的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果與全模型相差約2.6%，表明了其簡(jiǎn)化模型的可行性[6]。馬永其VC++語(yǔ)言構(gòu)建了固定管板式換熱器的有限元應(yīng)力分析系統(tǒng)框架，為換熱器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員提供了有力工具[7]。文獻(xiàn)大多數(shù)都只涉及應(yīng)力分析，對(duì)大型高壓加熱器的應(yīng)變分析較少。本文以日本三菱生產(chǎn)的JG1420高壓加熱器為對(duì)象，分析高壓加熱器在3種不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變，以期為高壓加熱器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員提供指導(dǎo)意見(jiàn)和參考價(jià)值。

1 高壓加熱器有限元模型的建立

本文研究的JG1420高壓加熱器屬于三段式U型換熱設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高壓加熱器模型

其基本運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 高壓加熱器的運(yùn)行參數(shù)

由于模型很大，需要對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。由于整個(gè)前后對(duì)稱，分析時(shí)取模型的一半計(jì)算，在殼程側(cè)，根據(jù)邊緣效應(yīng)[7]，外伸長(zhǎng)度取為500mm。根據(jù)GB151將管板上的孔和換熱管簡(jiǎn)化掉，等效為均質(zhì)各向同性實(shí)心板，根據(jù)GB151和部標(biāo)JG4732，確定管板的剛度和強(qiáng)度削弱系數(shù)，等效后的管板泊松比ν*=0.3，剛度削弱系數(shù)λ=0.45，強(qiáng)度削弱系數(shù)β=0.4。利用ANSYS的APDL直接建立高壓加熱器的三維簡(jiǎn)化模型，并用SOLID87劃分網(wǎng)格，其模型如圖2所示。

圖2 高壓加熱器的有限元模

2 高壓加熱器的應(yīng)力應(yīng)變分析

該高壓加熱器殼程材料為SA516M-Gr485，管板材料為SA266-C2，表2列出了兩種材料在不同溫度下的屈服極。

表2 管板和殼程材料屈服極限

由于高壓加熱器在運(yùn)行過(guò)程中，壓力載荷和溫度載荷可能同時(shí)作用或者單獨(dú)作用，因此，本文分別分析了溫度，壓力和溫度壓力耦合作用下高壓加熱器的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.1 溫度作用下的應(yīng)力應(yīng)變

為了獲得高壓加熱器的熱應(yīng)力及應(yīng)變，需要對(duì)高壓加熱器進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，再將溫度場(chǎng)作為結(jié)構(gòu)分析的載荷施加到模型中，施加相應(yīng)的約束條件即可，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 只有溫度作用下的應(yīng)力分布

圖4 只有溫度作用下的應(yīng)變分布

從圖3中可以看出，熱應(yīng)力主要集中在管板和殼體的連接處，最大熱應(yīng)力是242MPa，主要原因是管板和殼體連接處的不連續(xù)以及此處的溫度梯度較大，殼體和管板的線性膨脹率不同導(dǎo)致的。實(shí)際工程中，高壓加熱器發(fā)生故障最多的地方也是管板和殼體連接的地方，經(jīng)常因?yàn)閼?yīng)力過(guò)大，塑形變形失效后發(fā)生泄漏的事故。從圖4中的應(yīng)變圖中可以看出，應(yīng)變的主要區(qū)域位于管板和殼體連接處，在殼側(cè)隔板上半部分應(yīng)變明顯大于下半部分，最大應(yīng)變發(fā)生在殼側(cè)隔板的上半部分區(qū)域，最大應(yīng)變值是2.91×10-2。

2.2 壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變

施加對(duì)應(yīng)的約束和邊界條件后得到的應(yīng)力云圖如圖5所示，從應(yīng)力云圖看出，最大應(yīng)力為313MPa，發(fā)生在疏水出口的尖角出，這里實(shí)際上是由于模型幾何形狀導(dǎo)致的，從整體來(lái)看，在過(guò)渡圓弧出的應(yīng)力都比較大。殼側(cè)與管板相連接處，倒角過(guò)渡圓弧地方應(yīng)力達(dá)到215MPa。

圖5 只有壓力作用下的應(yīng)力分布

從圖6中可以看出最大的應(yīng)變發(fā)生在管板管程側(cè)的過(guò)度圓弧處，最大應(yīng)變值為1.12×10-2，應(yīng)變的主要區(qū)域在過(guò)渡圓弧處，在過(guò)渡圓弧處的應(yīng)變分布比較均勻，并且管板的應(yīng)變明顯高于封頭和管殼。

圖6 只有壓力作用下的應(yīng)變分布

2.3 溫度和壓力耦合作用下的應(yīng)力應(yīng)變

圖7 耦合作用下的應(yīng)力分布

在溫度和壓力耦合作用下的分析中，結(jié)合只有壓力和只有溫度情況下的約束和邊界條件，即可得到耦合作用下的應(yīng)力場(chǎng)。其應(yīng)力分布云圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，溫度和壓力共同作用下，其應(yīng)力分布和單獨(dú)熱應(yīng)力作用下的分布情況大致相同，溫度熱應(yīng)力的影響不容忽視。對(duì)于管板，在管板圓心處相對(duì)其他要稍大，而球形封頭應(yīng)力主要集中在相慣的幾個(gè)過(guò)渡圓弧處，平均都達(dá)到了200MP。

圖8 耦合作用下的應(yīng)力分布

從圖8可以看出，應(yīng)變的分布區(qū)域和應(yīng)力分布區(qū)域有些不一樣，最大的應(yīng)變?cè)跉んw和管板連接處，其最大應(yīng)變值為1.96×10-2，最大應(yīng)變值小于只有熱載荷作用下的應(yīng)變，這說(shuō)明耦合作用下并沒(méi)有導(dǎo)致應(yīng)變的繼續(xù)增加，反而舒緩了應(yīng)變。應(yīng)變的分布規(guī)律和熱應(yīng)力分布規(guī)律大致相同。封頭和管板接觸的地方應(yīng)變明顯小于只有熱載荷的情況，這種差異是由于熱應(yīng)力和壓力耦合作用的結(jié)果。

根據(jù)上面的應(yīng)力分布圖，選取以下幾個(gè)路徑觀測(cè)其應(yīng)力隨著路徑的變化情況。

PATH1：管板和殼體接觸的倒角圓弧圓周方向。

PATH2：管板厚度方向，由管側(cè)指向殼側(cè)。

圖9 PATH1上的Von Mises Stress和Stress Intensity

從圖9中看出，在路徑1上，在靠近管板的殼體厚度方向，由于連接處的過(guò)渡圓弧的影響，應(yīng)力出現(xiàn)幾個(gè)小的峰值，最大的Von Mises Stress應(yīng)力是155.3376MPa，最大Stress Intensity應(yīng)力為162.5181MPa。

圖10 PATH2上的Von Mises Stress和Stress Intensity

從圖10中看出，在路徑2上在管板的兩側(cè)應(yīng)力稍大，最大的應(yīng)力發(fā)生在殼側(cè)，最大Von Mises Stress為73.53MPa，最大Stress Intensity為81.95826MPa，沒(méi)有發(fā)生塑形變形。可以看出Stress Intensity曲線和Von Mises Stress變化規(guī)律相同，但是Stress Intensity比Von Mises Stress曲線高，所以用第三強(qiáng)度理論對(duì)高壓加熱器進(jìn)行校核是偏于安全的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)ANSYS軟件模擬了JG1420高壓加熱器在只有溫度、只有壓力和溫度壓力耦合作用三種情況的應(yīng)力應(yīng)變，得到如下三個(gè)結(jié)論。

1）不同載荷對(duì)高壓加熱器的作用下，其應(yīng)力應(yīng)變分布大致上相似，危險(xiǎn)的區(qū)域主要在管板和殼體接觸的區(qū)域和管板的過(guò)度圓弧處，實(shí)踐證明，這些地方也是高壓加熱器最容易產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致泄漏的地方。

2）只有熱應(yīng)力下最大的應(yīng)變和壓力與熱應(yīng)力耦合作用下發(fā)生的位置大致是相同的，但是并不是耦合作用下應(yīng)變最大，相反是耦合作用下應(yīng)變減小了48%，這主要是在耦合作用下，熱應(yīng)力是二次應(yīng)力，使得應(yīng)力重新分布，并且協(xié)調(diào)了變形。

3）熱應(yīng)力和壓力耦合作用下不是最危險(xiǎn)的工況。比如在管板和殼體接觸的區(qū)域只有熱應(yīng)力下的平均應(yīng)力和溫度壓力耦合作用下相當(dāng)，平均為230MPa左右。熱應(yīng)力在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處危害起到了主導(dǎo)作用，對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)處熱應(yīng)力的二次應(yīng)力效果使得變形得到緩和。

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