核主泵試驗回路中熱水罐應力分析研究

胡有坤　許紫洋　張智罡

【摘 要】石油化工廠及核電站中，部分設備需要在高溫工況下工作，使用傳統方法來計算溫度在設備內產生的應力不僅過程繁瑣，且結果準確度低。本文利用ANSYS軟件，對某核主泵試驗回路中熱水罐內的應力分布進行了分析，采用“熱-結構”耦合技術，得到了該熱水罐在“熱-結構”載荷共同作用下的應力分布情況并進行了分析。本文采用的分析方法，對高溫下運行設備的分析設計具有一定參考意義。

【關鍵詞】ANSYS；熱水罐；應力分布；溫度應力

熱水罐作為一種常見的過程設備，被廣泛應用于化工及核電領域。由于熱水罐在運行中需要承受很高的溫度和壓力，為了保證設備的完整性、可靠性，在進行設計時有必要將溫度場產生的應力作為重要影響因素考慮在內，否則，可能導致設計裕量不足，從而引發重大安全事故。因此，對熱水罐在溫度和壓力作用下產生的應力情況進行分析，在優化設計和安全生產保障方面有很重要的實際意義。

有限元法（Finite Element Method， FEM），也稱有限單元法，是當今工程分析中獲得最廣泛的數值計算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視。伴隨著計算機科學技術的飛速發展，現在已經成為計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）的重要組成部分。它的基本思想是將表示結構或連續體的求解域離散為一組有限的子域，并且通過它們邊界上的節點相互聯結成一個組合體。ANSYS 軟件是一個基于有限元法上的，融結構、流體、電場、磁場和聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，并能與多數 CAD 軟件接口，實現數據的共享與交換，如 Pro/Engineer、NASTRAN、SolidWorks 等，是目前最常用現代有限元分析工具之一[1]。

本文以某核主泵試驗回路中的熱水罐為例，考慮設計壓力、熱水罐的加熱方式和保溫方式引起的熱載荷以及支承載荷等，利用ANSYS軟件對其內部的溫度場、應力分布進行了模擬，采用“熱-結構”耦合技術，得到了設計工況下熱水罐內的溫度場、“熱-結構”耦合應力場分布。

1 設計參數

熱水罐設計依據參照GB150-2011[2]和HG-T20592～20635-2009[3]，設計及材料參數見下述。

基本設計參數：內徑/外徑243mm/323mm；設計壓力17.2MPa；最高工作壓力15.5MPa；設計溫度350℃；操作溫度300℃；L1/L2/L3/L4/L5-155/100/800/2000/125mm；殼體材料20#；法蘭材料20#鍛；工作介質：去離子水。

材料特性參數：筒體20#（δ=40）；Smt=78MPa；Et=178000MPa；設備法蘭20Ⅱ；Smt=89MPa；Et=178000MPa；熱膨脹系數α13.93×10-12W/（mm 2·℃）；導熱系數γ42.28×10-3/（mm·℃）。

容器結構如附圖中圖a所示。在實際結構中，豎直設備放置在固定臺階上，筒體四周設有三個均布的支架，起到防止設備傾斜的作用。

2 有限元建模

根據熱水罐的結構參數及設計數據，對設備的支架，筒體以及與其相連接的法蘭進行有限元模型分析。

2.1 單元的選擇與建模

根據封頭及接管的結構特性和載荷特性，在有限元模型構建中，采用對稱原理，以Y軸為回轉軸，沿設備軸向取1/3進行分析，附圖中圖b為熱水罐實體模型。

針對設備結構的點，采用ANSYS軟件中的20結點三維實體單元（SOLID95）進行建模，并對整個模型進行六面體網格劃分，附圖中圖c為網格劃分后的有限元模型。

2.2 模型的邊界條件

2.2.1 位移邊界條件

具體設置的位移邊界條件如下：

①筒體及法蘭兩側取對稱約束；

②底部法蘭端面設置軸向位移為零，ΔY=0；

③支架底板設置為全約束。

2.2.2 載荷邊界條件

本次應力分析是“熱-結構”的耦合場分析。耦合場的解法可以分為兩種，一種稱為Sequential Method；另一種稱為Direct Method。本文采用Sequential Methods，該方法先解出其中一種物理現象的分析結果，將其當作另一種分析的邊界條件，例如熱應力，先解出溫度分布，再以溫度分布為邊界條件求解出應力。具體加載步驟如下：

①溫度邊界條件：加熱時加熱圈與容器接觸表面溫度為 425℃，內壁溫度為300℃（可獲得比內壁350℃時的更大的溫差應力）；筒體及法蘭被保溫層覆蓋，故將其表面視為絕熱；支架暴露在外界環境中，取對流換熱系數取10E-6，環境溫度為25℃。溫度載荷施加完成后附圖中圖d所示。

②“熱-結構”耦合邊界條件：導入溫度場分析結果作為載荷邊界條件，子筒體內壁施加17.2MPa內壓；由力平衡計算得到法蘭墊片等效壓力36.75MPa，螺栓連接等效壓力166.94MPa，并將施加在模型相應位置。設置完成后如附圖中圖e所示。

3 結果分析

3.1 溫度場分布

附圖中圖f、g所示為溫度場分布計算結果，加熱圈與容器接觸表面溫度為425℃，內壁溫度為300℃，支架與空氣為對流換熱，溫度場成遞減趨勢。

3.2 等效應力分布

附圖中圖h、i所示為“熱-結構”載荷共同作用下設備內等效應力分布情況，從圖中可知，最大等效應力出現支座與筒體連接結構處約135.7MPa，主要是由結構的幾何不連續性造成的。

4 結論

利用ANSYS軟件，對某核主泵試驗回路中熱水罐內的應力分布進行了分析，采用了“熱-結構”耦合技術，得到了該熱水罐在設計工況下的溫度場，以及“熱-結構”載荷共同作用下的應力分布情況并進行了分析。通過這種分析設計方法，可以有效地將設備內部由溫度及內壓共同作用下的應力場求解出來，從而實現設計的優化和。

【參考文獻】

[1]倪棟，段進.ANSYS10. 0 基礎教程與實例詳解[M].

[2]GB150-2011.鋼制壓力容器分析設計標準[S].

[3]HG-T20592～20635-2009.鋼制管法蘭、墊片和緊固件[S].

[責任編輯：楊玉潔]