除氧器熱固耦合分析及強度校核

石乾宇，李鳳梅，佟寶玉

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

除氧器熱固耦合分析及強度校核

石乾宇，李鳳梅，佟寶玉

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

除氧器在運行過程中，給水裝置與筒體之間存在較大的溫度梯度，進而產生較大的熱應力。基于給定的除氧器設計參數，對某型除氧器進行了熱固耦合分析，并參照相關設計標準，對除氧器在額定運行工況下的強度進行了校核，確保該型除氧器的安全運行。

除氧器； 給水裝置； 熱應力； 熱分析； 熱固耦合； 有限元； 強度； 校核

0 概 述

電站除氧器是汽輪機發電機組加熱系統中的混合式加熱設備，利用汽輪機抽汽將鍋爐給水加熱到對應于除氧器運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氣體，提高鍋爐給水的品質，以防止或減輕鍋爐、汽輪機及其附屬設備和管道等的氧腐蝕[1]。另外，除氧器是多級加熱系統中的關鍵設備之一，通過本級加熱可以升高鍋爐給水溫度，進而提高發電機組的熱效率[2]。

除氧器在運行過程中，給水裝置(包括給水母管、分配管和噴嘴接管)中的凝結水溫度低于除氧器筒體內的蒸汽溫度，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力，而常規設計不能準確地考慮這一點。所以，設計時，需要考慮熱應力對除氧器強度的影響。現利用有限元軟件，對除氧器進行熱固耦合分析，并參照JB4732-1995(2005年確認)[3]標準，對計算結果進行強度校核，可更加全面地確保除氧器在各工況下運行的安全性。

1 設計參數及模型簡化

1.1 基本設計參數

某型除氧器的基本設計參數，如表1所示。

表1 除氧器基本設計參數

設計工況TMCR工況設計壓力/MPa1.2/-0.1工作壓力/MPa0.875設計溫度/℃281蒸汽溫度/℃178最高工作溫度/℃180凝結水溫度/℃159

1.2 模型的簡化

根據該除氧器兩段結構的相似性，選取其中一段作為分析對象。在保證可以反映實際問題的前提下，簡化模型，以減小有限元軟件的計算量。除氧器的滑動支座，可沿除氧器軸向自由膨脹，對支座的熱應力影響較小，所以，分析模型時，對支座進行了適當的簡化處理。除氧器的結構模型，如圖1所示。

圖1 除氧器結構

2 熱固耦合分析及強度校核

2.1 材料的物理特性

制造除氧器的主要材質為碳鋼，鋼材的物理特性，如表2所示。

表2 材料的物理特性

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

2.2 熱分析

熱應力分析在本質上屬于熱固耦合分析，即分析溫度場與結構場(應力和變形)的相互作用。在通常情況下，溫度場對結構場的作用，要遠大于結構場對溫度場的作用。所以，熱應力分析一般采用弱耦合算法。在弱耦合算法中，結構場控制方程包括了溫度場參數(熱應力)，但是導熱控制方程不包括應力和變形等結構場參數[4]，這在工程分析中更易于實現。因此，在本例計算中，采用弱耦合算法。

首先進行熱分析，采用ANSYS軟件提供的Solid70單元進行計算。有限元的模型，如圖2、圖3所示。由于設備的保溫措施較好，且重點分析給水裝置與筒體之間的熱應力，所以計算時的熱邊界條件為：給水裝置內表面加載凝結水溫度，筒體內表面加載蒸汽溫度，不考慮支座與地面間的傳熱。其次，在工程計算中，一般難以得到準確的對流傳熱系數，所以，通常是在金屬表面加載介質溫度，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)

經過熱分析，除氧器在運行工況下的溫度場分布，如圖4所示。噴嘴接管與加強圈連接處、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，導致的熱膨脹差引起的熱應力。

圖4 除氧器運行工況溫度場分布

2.3 熱固耦合分析

熱固耦合分析，采用ANSYS提供的Solid95實體單元進行計算。在熱分析有限元模型上施加邊界條件為：在設備內表面上，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，滑動支座允許其沿設備軸向運動，導入熱分析結果。

經過熱固耦合分析，除氧器運行工況下的應力分布，如圖5所示。設備總體的最大應力點，出現在非承壓件支撐板與筒體墊板連接處A，承壓件的最大應力點，出現在噴嘴接管與加強圈連接處B。所以，需對A、B處進行材料強度的校核計算。

圖5 除氧器運行工況應力分布

2.4 強度校核

評定路徑的位置，如圖6所示。A處評定路徑為1，B處的評定路徑為2。設計工況下的強度計算，由常規設計時的計算值決定，現僅對有熱應力的運行工況下，對強度計算進行評定。

路徑1的一次加二次應力強度為376.1 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

路徑2的一次加二次應力強度為210.5 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

圖6 評定路徑

其中Sm為運行工況平均溫度下的材料許用應力。

經評定，在運行工況下，除氧器能滿足JB4732-1995(2005年確認)標準中的強度要求。

3 結 語

通過熱分析計算除氧器在運行工況下的溫度分布，并將熱分析結果導入結構分析中，計算了除氧器在運行工況下的應力分布，參照設計標準，進行了相應的應力評定，保證了設備安全運行。

由于除氧器在常規設計中很難考慮熱應力的影響，采用有限元軟件進行熱固耦合分析，并參照相關標準進行評定，可作為設計時相應的補充計算，這在溫差較高的核電除氧器設計中，尤其應予以重視。

[1] 蔡錫琮，蔡文鋼.火電廠除氧器[M].北京:中國電力出版社，2007.

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

[3] JB4732-1995，鋼制壓力容器-分析設計標準(2005年確認)[S].

[4] 王成恩，崔東亮，曲蓉霞.傳熱分析與結構分析有限元法及應用[M].北京：科學出版社，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，畢業于東北大學機械設計及理論專業，從事壓力容器的設計及技術開發工作。

TK223.5+22

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