U型管高壓給水加熱器有限元分析

張志剛

（上海交通大學，上海200240）

0 引言

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

本文應用PATRAN／NASTRAN有限元分析軟件，對高加管板上呈正三角排布的換熱管所圍成的管板單元進行溫度場分析。同時，對高加半球形水室進行汽輪機調(diào)節(jié)閥全開（VWO）工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場和應力場分析，并進行強度校核。

1 高加結構特點及主要參數(shù)

1．1 高加結構尺寸

A6、A7、A8高加管板水室結構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，其當量彈性模量與管板厚度無關。管板的孔間帶效率為0．23，等效彈性系數(shù)為0．3，當量泊松比為0．41，強度削弱系數(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作為計算區(qū)域，如圖2所示。單元劃分時，采用四面體單元Tet－4，網(wǎng)格劃分后的節(jié)點總數(shù)為8 999個，單元總數(shù)為47 372個。

圖1 換熱管所圍成的區(qū)域

圖2 有限元計算區(qū)域

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

圖3 不同時刻管板單元的溫度場分布

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的時間內(nèi)基本達到溫度平衡，因此可以認為布管區(qū)的管板能夠在短時間內(nèi)達到溫度平衡，注水產(chǎn)生的熱應力對管板布管區(qū)的影響較小。

3 高加VWO工況的穩(wěn)態(tài)溫度場和應力場分析

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)點總數(shù)為44 838個，單元總數(shù)為239 529個。

圖4 高加水室正面網(wǎng)格圖

3．2 VWO工況下穩(wěn)態(tài)溫度場和應力場分析

高加進水溫度191．2℃，出水溫度220．8℃，進水設計壓力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和應力場分布，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工況熱應力＋壓力應力分布

通過計算，得到最大熱應力為44．2MPa，最大壓力應力為269MPa，同時考慮溫度、壓力和重力作用時的最大綜合應力為273MPa。這些應力最大值都發(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，將有限元法計算結果近似分解成薄膜應力和彎應力，分別求出一次總體薄膜應力Pm、一次彎曲應力Pb、一次局部薄膜應力Pl和二次應力Q。根據(jù)應力分類的強度校核方法，在給定最小許用應力Sm的條件下，用如下準則進行許用應力考核［1］：（1）一次總體薄膜應力強度Pm≤KSm；（2）一次局部薄膜應力強度Pl≤1．5 KSm；（3）一次薄膜加一次彎曲應力強度Pl＋Pb≤1．5 KSm；（4）一次加二次應力強度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力Pm＝96．9MPa；一次彎曲應力Pb＝120．85MPa；一次局部薄膜應力Pl＝96．9MPa；二次應力Q＝44．2MPa。根據(jù)應力分類的強度校核方法，在給定最小許用應力Sm＝163MPa的條件下，用如下準則進行許用應力考核：（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)，計算的最大熱應力為15．1MPa，最大壓力應力為93．3MPa，同時考慮溫度、壓力和重力作用時的最大綜合應力為96．9MPa。這些應力最大值都發(fā)生在管板布管區(qū)內(nèi)。

同樣采用等效線性化方法，將計算結果近似分解成薄膜應力和彎應力，分別求出一次總體薄膜應力Pm＝41．97MPa；一次彎應力Pb＝22MPa；一次局部薄膜應力Pl＝41．97MPa；二次應力Q＝41．97MPa。根據(jù)應力分類的強度校核方法，在給定最小許用應力Sm＝65．2MPa的條件下，用如下準則進行許用應力考核：（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)上述應力校核結果，A6高加管板設計滿足應力考核條件，是安全的。由于在管板的布管區(qū)主要承受水室的壓力應力，溫度應力相對較小，而A6的水室壓力最大，因此在A6布管區(qū)滿足強度要求后，A7、A8的布管區(qū)應力必然滿足強度要求，故不必進行校核。

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

表2 強度評定結果 單位：MPa

4 結論

（1）在VWO工況下，3個高加的壓力應力相差不大，因為給水壓力相等，抽汽壓力相差也較小。（2）A7的熱應力較其他2個高加的熱應力明顯增大，其原因是A7的給水進、出口溫度相差達到57℃，而A6只有29℃，A8只有20℃。（3）通過強度校核，可知3個高加在最危險的VWO工況下都是安全的。

［1］李建國，壽比南．JB4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》綜述［J］．壓力容器，1995（4）