核主泵試驗回路中熱水罐應(yīng)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(shè)備需要在高溫工況下工作，使用傳統(tǒng)方法來計算溫度在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力不僅過程繁瑣，且結(jié)果準(zhǔn)確度低。本文利用ANSYS軟件，對某核主泵試驗回路中熱水罐內(nèi)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，采用“熱-結(jié)構(gòu)”耦合技術(shù)，得到了該熱水罐在“熱-結(jié)構(gòu)”載荷共同作用下的應(yīng)力分布情況并進(jìn)行了分析。本文采用的分析方法，對高溫下運行設(shè)備的分析設(shè)計具有一定參考意義。

【關(guān)鍵詞】ANSYS；熱水罐；應(yīng)力分布；溫度應(yīng)力

熱水罐作為一種常見的過程設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于化工及核電領(lǐng)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(shè)備的完整性、可靠性，在進(jìn)行設(shè)計時有必要將溫度場產(chǎn)生的應(yīng)力作為重要影響因素考慮在內(nèi)，否則，可能導(dǎo)致設(shè)計裕量不足，從而引發(fā)重大安全事故。因此，對熱水罐在溫度和壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，在優(yōu)化設(shè)計和安全生產(chǎn)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(dāng)今工程分析中獲得最廣泛的數(shù)值計算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為計算機輔助設(shè)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(jié)構(gòu)或連續(xù)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(jié)點相互聯(lián)結(jié)成一個組合體。ANSYS 軟件是一個基于有限元法上的，融結(jié)構(gòu)、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(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換，如 Pro/Engineer、NASTRAN、SolidWorks 等，是目前最常用現(xiàn)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(shè)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(nèi)部的溫度場、應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬，采用“熱-結(jié)構(gòu)”耦合技術(shù)，得到了設(shè)計工況下熱水罐內(nèi)的溫度場、“熱-結(jié)構(gòu)”耦合應(yīng)力場分布。

1 設(shè)計參數(shù)

熱水罐設(shè)計依據(jù)參照GB150-2011[2]和HG-T20592～20635-2009[3]，設(shè)計及材料參數(shù)見下述。

基本設(shè)計參數(shù)：內(nèi)徑/外徑243mm/323mm；設(shè)計壓力17.2MPa；最高工作壓力15.5MPa；設(shè)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(zhì)：去離子水。

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

容器結(jié)構(gòu)如附圖中圖a所示。在實際結(jié)構(gòu)中，豎直設(shè)備放置在固定臺階上，筒體四周設(shè)有三個均布的支架，起到防止設(shè)備傾斜的作用。

2 有限元建模

根據(jù)熱水罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計數(shù)據(jù)，對設(shè)備的支架，筒體以及與其相連接的法蘭進(jìn)行有限元模型分析。

2.1 單元的選擇與建模

根據(jù)封頭及接管的結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，在有限元模型構(gòu)建中，采用對稱原理，以Y軸為回轉(zhuǎn)軸，沿設(shè)備軸向取1/3進(jìn)行分析，附圖中圖b為熱水罐實體模型。

針對設(shè)備結(jié)構(gòu)的點，采用ANSYS軟件中的20結(jié)點三維實體單元（SOLID95）進(jìn)行建模，并對整個模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，附圖中圖c為網(wǎng)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(shè)置的位移邊界條件如下：

①筒體及法蘭兩側(cè)取對稱約束；

②底部法蘭端面設(shè)置軸向位移為零，ΔY=0；

③支架底板設(shè)置為全約束。

2.2.2 載荷邊界條件

本次應(yīng)力分析是“熱-結(jié)構(gòu)”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(xiàn)象的分析結(jié)果，將其當(dāng)作另一種分析的邊界條件，例如熱應(yīng)力，先解出溫度分布，再以溫度分布為邊界條件求解出應(yīng)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(nèi)壁溫度為300℃（可獲得比內(nèi)壁350℃時的更大的溫差應(yīng)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(huán)境中，取對流換熱系數(shù)取10E-6，環(huán)境溫度為25℃。溫度載荷施加完成后附圖中圖d所示。

②“熱-結(jié)構(gòu)”耦合邊界條件：導(dǎo)入溫度場分析結(jié)果作為載荷邊界條件，子筒體內(nèi)壁施加17.2MPa內(nèi)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(yīng)位置。設(shè)置完成后如附圖中圖e所示。

3 結(jié)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(jié)果，加熱圈與容器接觸表面溫度為425℃，內(nèi)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(yīng)力分布

附圖中圖h、i所示為“熱-結(jié)構(gòu)”載荷共同作用下設(shè)備內(nèi)等效應(yīng)力分布情況，從圖中可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)支座與筒體連接結(jié)構(gòu)處約135.7MPa，主要是由結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)性造成的。

4 結(jié)論

利用ANSYS軟件，對某核主泵試驗回路中熱水罐內(nèi)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，采用了“熱-結(jié)構(gòu)”耦合技術(shù)，得到了該熱水罐在設(shè)計工況下的溫度場，以及“熱-結(jié)構(gòu)”載荷共同作用下的應(yīng)力分布情況并進(jìn)行了分析。通過這種分析設(shè)計方法，可以有效地將設(shè)備內(nèi)部由溫度及內(nèi)壓共同作用下的應(yīng)力場求解出來，從而實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化和。

【參考文獻(xiàn)】

[1]倪棟，段進(jìn).ANSYS10. 0 基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].

[2]GB150-2011.鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[責(zé)任編輯：楊玉潔]