石乾宇，李鳳梅，佟寶玉

(哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

除氧器熱固耦合分析及強(qiáng)度校核

石乾宇，李鳳梅，佟寶玉

(哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

除氧器在運(yùn)行過(guò)程中，給水裝置與筒體之間存在較大的溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。基于給定的除氧器設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)某型除氧器進(jìn)行了熱固耦合分析，并參照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)除氧器在額定運(yùn)行工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，確保該型除氧器的安全運(yùn)行。

除氧器； 給水裝置； 熱應(yīng)力； 熱分析； 熱固耦合； 有限元； 強(qiáng)度； 校核

0 概 述

電站除氧器是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組加熱系統(tǒng)中的混合式加熱設(shè)備，利用汽輪機(jī)抽汽將鍋爐給水加熱到對(duì)應(yīng)于除氧器運(yùn)行壓力下的飽和溫度，除去溶解于給水中的氧氣及其他不凝結(jié)氣體，提高鍋爐給水的品質(zhì)，以防止或減輕鍋爐、汽輪機(jī)及其附屬設(shè)備和管道等的氧腐蝕[1]。另外，除氧器是多級(jí)加熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過(guò)本級(jí)加熱可以升高鍋爐給水溫度，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)組的熱效率[2]。

除氧器在運(yùn)行過(guò)程中，給水裝置(包括給水母管、分配管和噴嘴接管)中的凝結(jié)水溫度低于除氧器筒體內(nèi)的蒸汽溫度，這使得給水裝置與筒體之間有較大的溫度梯度，因此，在除氧器的給水裝置中存在較大的熱應(yīng)力，而常規(guī)設(shè)計(jì)不能準(zhǔn)確地考慮這一點(diǎn)。所以，設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮熱應(yīng)力對(duì)除氧器強(qiáng)度的影響?，F(xiàn)利用有限元軟件，對(duì)除氧器進(jìn)行熱固耦合分析，并參照J(rèn)B4732-1995(2005年確認(rèn))[3]標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，可更加全面地確保除氧器在各工況下運(yùn)行的安全性。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及模型簡(jiǎn)化

1.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

某型除氧器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 除氧器基本設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)工況TMCR工況設(shè)計(jì)壓力/MPa1.2/-0.1工作壓力/MPa0.875設(shè)計(jì)溫度/℃281蒸汽溫度/℃178最高工作溫度/℃180凝結(jié)水溫度/℃159

1.2 模型的簡(jiǎn)化

根據(jù)該除氧器兩段結(jié)構(gòu)的相似性，選取其中一段作為分析對(duì)象。在保證可以反映實(shí)際問(wèn)題的前提下，簡(jiǎn)化模型，以減小有限元軟件的計(jì)算量。除氧器的滑動(dòng)支座，可沿除氧器軸向自由膨脹，對(duì)支座的熱應(yīng)力影響較小，所以，分析模型時(shí)，對(duì)支座進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。除氧器的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 除氧器結(jié)構(gòu)

2 熱固耦合分析及強(qiáng)度校核

2.1 材料的物理特性

制造除氧器的主要材質(zhì)為碳鋼，鋼材的物理特性，如表2所示。

表2 材料的物理特性

溫度/℃0100200300400平均導(dǎo)熱系數(shù)λ/W·(m·K)-150.547.544.842.039.4平均線(xiàn)膨脹系數(shù)α/mm·℃(10-6mm)10.7611.5312.2512.9013.58彈性模量E/103MPa202197191183170

2.2 熱分析

熱應(yīng)力分析在本質(zhì)上屬于熱固耦合分析，即分析溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)(應(yīng)力和變形)的相互作用。在通常情況下，溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的作用，要遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的作用。所以，熱應(yīng)力分析一般采用弱耦合算法。在弱耦合算法中，結(jié)構(gòu)場(chǎng)控制方程包括了溫度場(chǎng)參數(shù)(熱應(yīng)力)，但是導(dǎo)熱控制方程不包括應(yīng)力和變形等結(jié)構(gòu)場(chǎng)參數(shù)[4]，這在工程分析中更易于實(shí)現(xiàn)。因此，在本例計(jì)算中，采用弱耦合算法。

首先進(jìn)行熱分析，采用ANSYS軟件提供的Solid70單元進(jìn)行計(jì)算。有限元的模型，如圖2、圖3所示。由于設(shè)備的保溫措施較好，且重點(diǎn)分析給水裝置與筒體之間的熱應(yīng)力，所以計(jì)算時(shí)的熱邊界條件為：給水裝置內(nèi)表面加載凝結(jié)水溫度，筒體內(nèi)表面加載蒸汽溫度，不考慮支座與地面間的傳熱。其次，在工程計(jì)算中，一般難以得到準(zhǔn)確的對(duì)流傳熱系數(shù)，所以，通常是在金屬表面加載介質(zhì)溫度，采用保守的處理方法。

圖2 除氧器有限元模型

圖3 除氧器有限元模型(局部圖)

經(jīng)過(guò)熱分析，除氧器在運(yùn)行工況下的溫度場(chǎng)分布，如圖4所示。噴嘴接管與加強(qiáng)圈連接處、支撐板與筒體墊板連接處的溫度梯度較大，這是由于給水裝置與筒體之間的溫度差，導(dǎo)致的熱膨脹差引起的熱應(yīng)力。

圖4 除氧器運(yùn)行工況溫度場(chǎng)分布

2.3 熱固耦合分析

熱固耦合分析，采用ANSYS提供的Solid95實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算。在熱分析有限元模型上施加邊界條件為：在設(shè)備內(nèi)表面上，加載操作壓力，筒體和接管端面加載等效壓力，固定支座施加全約束，滑動(dòng)支座允許其沿設(shè)備軸向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)入熱分析結(jié)果。

經(jīng)過(guò)熱固耦合分析，除氧器運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布，如圖5所示。設(shè)備總體的最大應(yīng)力點(diǎn)，出現(xiàn)在非承壓件支撐板與筒體墊板連接處A，承壓件的最大應(yīng)力點(diǎn)，出現(xiàn)在噴嘴接管與加強(qiáng)圈連接處B。所以，需對(duì)A、B處進(jìn)行材料強(qiáng)度的校核計(jì)算。

圖5 除氧器運(yùn)行工況應(yīng)力分布

2.4 強(qiáng)度校核

評(píng)定路徑的位置，如圖6所示。A處評(píng)定路徑為1，B處的評(píng)定路徑為2。設(shè)計(jì)工況下的強(qiáng)度計(jì)算，由常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算值決定，現(xiàn)僅對(duì)有熱應(yīng)力的運(yùn)行工況下，對(duì)強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行評(píng)定。

路徑1的一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度為376.1 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

路徑2的一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度為210.5 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

圖6 評(píng)定路徑

其中Sm為運(yùn)行工況平均溫度下的材料許用應(yīng)力。

經(jīng)評(píng)定，在運(yùn)行工況下，除氧器能滿(mǎn)足JB4732-1995(2005年確認(rèn))標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)熱分析計(jì)算除氧器在運(yùn)行工況下的溫度分布，并將熱分析結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析中，計(jì)算了除氧器在運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布，參照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)力評(píng)定，保證了設(shè)備安全運(yùn)行。

由于除氧器在常規(guī)設(shè)計(jì)中很難考慮熱應(yīng)力的影響，采用有限元軟件進(jìn)行熱固耦合分析，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，可作為設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)的補(bǔ)充計(jì)算，這在溫差較高的核電除氧器設(shè)計(jì)中，尤其應(yīng)予以重視。

[1] 蔡錫琮，蔡文鋼.火電廠(chǎng)除氧器[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007.

[2] 李崇超.單筒式除氧器的技術(shù)特點(diǎn)[J].電站輔機(jī)，2008，29(3)：8-10.

[3] JB4732-1995，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))[S].

[4] 王成恩，崔東亮，曲蓉霞.傳熱分析與結(jié)構(gòu)分析有限元法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

Thermal Stress Analysis and Strength Check of Deaerator

SHI Qian-yu，LI Feng-mei，TONG Bao-yu

(Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang, China)

The temperature gradient is great between feed-water devices and cylindrical shell when the deaerator operates, and then large thermal stress is produced. The thermal stress analysis of a deaerator is carried out based on design parameters in this paper, and strength is checked for the operating condition according to JB4732-1995, by this way, the safe operation of the deaerator is ensured.

deaerator; feed-water devices; thermal stress; heat analysis; thermal-structure coupling; FEA; strength; check

1672-0210(2017)01-0016-03

2016-12-15

石乾宇(1987-)，男，工程師，畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)，從事壓力容器的設(shè)計(jì)及技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。

TK223.5+22

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