馬 超，劉 杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程公司，黑龍江 哈爾濱150000）

CAP1400低壓加熱器地震反應(yīng)譜分析

馬 超，劉 杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程公司，黑龍江 哈爾濱150000）

三鞍座臥式低壓加熱器在地震工況下，有可能因?yàn)樗降卣鸺铀俣榷鹪O(shè)備失穩(wěn)傾覆，威脅機(jī)組整體運(yùn)行安全，因此有必要對(duì)低壓加熱器進(jìn)行荷載分析。利用有限元分析軟件，分析低壓加熱器荷載，為低壓加熱器支座設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)土建設(shè)計(jì)提供參考。

低壓加熱器；地震；荷載；有限元

大多低壓加熱器均為三鞍座臥式容器。在地震工況下，由于水平地震加速度的存在，將引起設(shè)備各支座載荷的重新分布，這就有可能因支座地腳螺栓承載力不足，導(dǎo)致螺栓被拉斷或剪斷，造成設(shè)備失穩(wěn)傾覆，進(jìn)而威脅機(jī)組整體的運(yùn)行安全。因此有必要對(duì)設(shè)備各支座在運(yùn)行和地震工況下的載荷分布情況進(jìn)行了解，為低加支座以及現(xiàn)場(chǎng)土建設(shè)計(jì)提供參考。

1 示例設(shè)備參數(shù)

某項(xiàng)目3#低加為多鞍座設(shè)計(jì)，采用內(nèi)置疏水箱設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)包含變徑段。3#低加外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3#、4#低加外形結(jié)構(gòu)示意圖

3#低加的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和主要部件材料屬性見表1所示。

表1 3#低加的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和主要部件材料屬性

2 有限元模型的建立

2.1 等效方案

因低加換熱管數(shù)量眾多，對(duì)每根換熱管進(jìn)行計(jì)算分析是不現(xiàn)實(shí)的，因此有必要對(duì)管束結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的合理等效，下面以3#低加為例說明管束等效方案：

（1）考慮到最大半徑處的管束圓弧段可能較容易發(fā)生振動(dòng)破壞，所以管束選擇了最大半徑處的5根換熱管。

（2）間隔的選取了管束布置圖中的第1、20、40、60每排管束的最外圍兩根管以及第36組的最中間一根管束作為等效管以等效其余換熱管。

根據(jù)上述的等效方案，最終計(jì)算得到3#低加的等效管的密度見表2.

表23 #低加等效密度和等效剛度

2.2 載荷及邊界條件

經(jīng)過上節(jié)的換熱管等效計(jì)算，確定了換熱管的等效密度和等效剛度，就可以建立3#低加的有限元模型。模型采用UG進(jìn)行三維建模，分為殼側(cè)（筒體、封頭、變徑段、管束）、管板、水側(cè)（筒體、封頭）以及三個(gè)鞍式支座建模。模型采用全實(shí)體模型進(jìn)行創(chuàng)建，忽略筒體部分接管及其相應(yīng)承載。三維模型見圖2.

圖2 3#低加三維模型結(jié)構(gòu)圖

主要部件之間的連接關(guān)系為焊接連接，包括筒體和管板之間，筒體與支座墊板之間，管束與管板，支撐板與管束之間（管束表面為主面，支撐孔面為從面），支撐板與筒體均為綁定關(guān)系。

位移邊界條件為固定支座1全約束，滑動(dòng)支座1與2限定除了X方向位移之外的其他五個(gè)自由度。運(yùn)行工況下設(shè)備主要受自身凈重、管程水重、殼側(cè)疏水重量，以及管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力。地震工況為運(yùn)行工況+地震反應(yīng)譜，樓層水平X、Y方向地震反應(yīng)譜如圖3所示。通過圖表可以看到，阻尼比為0.02時(shí)的地震加速度最大，因此選取阻尼比為0.02作為計(jì)算輸入?yún)?shù)。

圖3 3#低加-水平X、Y方向樓層地震反應(yīng)譜

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

通過建立有限元模型，導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分別計(jì)算了3#低加地震工況下的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布情況如圖4、圖5所示，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行模態(tài)進(jìn)行了分析。

3.1 3#低加地震工況分析

圖4 LP3地震工況下的應(yīng)力分布情況

圖5 LP3地震工況下的變形分布情況

3.2 結(jié)果分析

（1）由應(yīng)力結(jié)果云圖4可知，3#低加在地震工況下，較大應(yīng)力出現(xiàn)位置主要集中在一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，如G36鋼管與第一支撐隔板連接部位。根據(jù)JB-4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求對(duì)此工況下低加結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力判定[1]。

水側(cè)筒體封頭材料為Q345R，許用應(yīng)力為160 MPa，支撐板材料為15CrMn，許用應(yīng)力為124 MPa.由應(yīng)力結(jié)果云圖4可知，3#低加在地震工況下，應(yīng)力最大值為22.5 MPa，與運(yùn)行工況下的設(shè)備應(yīng)力進(jìn)行疊加，其應(yīng)力數(shù)值在允許范圍之內(nèi)。

（2）由應(yīng)力結(jié)果圖5可知，LP3在地震工況下，變形最大位置在換熱管彎管處，大小為4.79 mm.

（3）LP3地震工況下各支座的基礎(chǔ)載荷分布情況與三菱方法（外形圖基礎(chǔ)載荷表）計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如下表3所示。

表3 LP3低加地震工況下基礎(chǔ)載荷數(shù)值對(duì)比/kN

4 結(jié)論

通過對(duì)某項(xiàng)目3#低加地震工況分析計(jì)算，得到了此工況下的應(yīng)力和變形分布情況，結(jié)論如下：

（1）3#低加在地震工況下，其應(yīng)力分布均在允許范圍內(nèi)，最大處變形不超過5 mm，可以滿足強(qiáng)度要求。

（2）地震工況下，因水平地震加速度引起的水平方向的支座反力數(shù)值均有所增加，其中固定支座X方向（軸向）的支反力數(shù)值變化最為明顯，但仍小于或相當(dāng)于《某項(xiàng)目3#低加外形圖》中所列數(shù)值，因此，可按此數(shù)值進(jìn)行地腳螺栓強(qiáng)度校核，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

[1]李建國(guó)，壽比南，薛明德，等.JB-4732鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

Earthquake Response Spectrum Analysis of LP Heaters

MA Chao，LIU Jie
（Harbin Turbine Works Auxiliary Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150000，China）

Three saddle horizontal low pressure heater in earthquake condition，likely because the horizontal seismic acceleration caused by the instability of the overall operation of equipment overturning，threatening the safety of units，so it is necessary for the load analysis of low pressure heater.The load of the low pressure heater is analyzed by the finite element analysis software，which provides a reference for the design of the low voltage heater support and the field civil construction.

low pressure heater；earthquake；load

TM621.4

A

1672-545X（2017）08-0113-02

2017-05-07

馬 超（1979-），男，河北人，工程師，本科，主要從事電站輔機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究工作。