再熱器應(yīng)力分析及疲勞評定

薛英喜 王鐸

摘要：本文對油水換熱器主要設(shè)備再熱器進(jìn)行實(shí)體建模，使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析，通過分析結(jié)果來判定設(shè)備在承受交變載荷下是否在其壽命期限內(nèi)發(fā)生應(yīng)力失效及疲勞破壞。

關(guān)鍵詞：再熱器；應(yīng)力分析；疲勞評定

1 概況

油水換熱器頻繁的間歇操作、長期在不定負(fù)荷（熱、壓力）下運(yùn)行容易產(chǎn)生應(yīng)力失效和疲勞破壞，故需要對光熱項(xiàng)目油水換熱器設(shè)備再熱器進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析以保證承受交變載荷的設(shè)備不致在其壽命期限內(nèi)發(fā)生應(yīng)力失效及疲勞破壞。

2 建模

2.1 有限元模型

再熱器有限元模型如圖1所示。管板、接管及管箱法蘭的材料為SA266 M Gr.2N，管箱筒體、殼程筒體、彎頭及支座的材料為SA516 M Gr.485N。管板采用等效多孔板代替。依據(jù)等效原則求得殼側(cè)筒體等效密度28044 kg/m3，管板等效密度5272kg/m3。管板等效彈性模量E*= 0.4872E（E為管板材料彈性模量），等效泊松比n*=0.316。

2.2 邊界條件

再熱器殼側(cè)壓力1.6MPa，管側(cè)壓力1.71MPa。應(yīng)力計(jì)算需以設(shè)備的溫度場作為溫度載荷，故先通過換熱求得設(shè)備的溫度分布情況。筒體外壁面絕熱，經(jīng)熱力計(jì)算程序求得，管箱側(cè)內(nèi)壁面換熱系數(shù)為791.88W/㎡·K，殼體側(cè)內(nèi)壁面換熱系數(shù)為1463.19W/㎡·K。循環(huán)運(yùn)行模式為：日常操作條件下，啟停次數(shù)分別為10000次，溫度為160℃/392℃；設(shè)備斷電條件下，啟停次數(shù)分別為2700次，溫度為65℃/392℃，年度維修條件下，啟停次數(shù)分別為25次，溫度為4℃/393℃。操作工況下的溫度載荷條件為：殼側(cè)油進(jìn)出口溫度為393℃/245.3℃，管側(cè)水（蒸汽）進(jìn)出口溫度為204.6℃/383℃。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 再熱器應(yīng)力分布

利用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，得到再熱器應(yīng)力分布，見圖2。最大應(yīng)力出現(xiàn)在油進(jìn)口與筒體連接處，大小為342.48MPa。

3.2 應(yīng)力評定

應(yīng)力評定按照ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第二冊5.2.2 節(jié)進(jìn)行。

[JP2]運(yùn)行工況評定應(yīng)符合以下條件：PL+Pb+Q≤Sps，PL+Pb+Q+F≤Sa；[JP]

[JP2]設(shè)計(jì)工況評定應(yīng)符合以下條件：Pm≤S，PL≤SpL，PL+Pb≤SpL，Pm+Pb+Q≤3S。[JP]

式中，Pm為一次總體薄膜應(yīng)力，PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力， F為峰值應(yīng)力，Sa 為由疲勞曲線所得的交變應(yīng)力，Sps為在正常操作情況下最高和最低溫度時(shí)材料許用應(yīng)力平均值的三倍，SpL為許用應(yīng)力的1.5倍，S為許用應(yīng)力。現(xiàn)選取三個(gè)路徑進(jìn)行應(yīng)力評定，路徑見圖3，評定結(jié)果表1。

從表中可以看出評定結(jié)果中應(yīng)力利用系數(shù)均小于1.0，全部通過評定，最大應(yīng)力利用系數(shù)為0.9099，出現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況C10路徑上。

3.3 疲勞評定

依據(jù)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第二冊3.15 節(jié)對蒸發(fā)器進(jìn)行疲勞評定。只要累計(jì)疲勞損傷系數(shù)不大于1.0 則可預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生低周疲勞破損。本文只對那些可能產(chǎn)生較大累積損傷系數(shù)的點(diǎn)即蒸汽進(jìn)口，蒸汽出口，油進(jìn)口，油出口進(jìn)行評定。

交變應(yīng)力循環(huán)幅為在一個(gè)循環(huán)工況下評定部位節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力差值的一半。為方便計(jì)算，取初始狀態(tài)和設(shè)備斷電工況下的工作壓力為0，偏于安全，交變應(yīng)力幅的大小都為正常運(yùn)行狀態(tài)下該節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的一半。各節(jié)點(diǎn)累積疲勞損失系數(shù)見表2。

從表2可以看出，再熱器主要部位的累積疲勞損失系數(shù)皆小于ASME VIII 第二冊 5.5.3中式5.38所要求的數(shù)值1，故再熱器在設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)內(nèi)不會(huì)發(fā)生低周疲勞破壞。

4 結(jié)論

本文通過有限元計(jì)算，得到了再熱器的應(yīng)力分布，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得到應(yīng)力評定及疲勞評定，結(jié)果表明再熱器的最大應(yīng)力利用系數(shù)出現(xiàn)大彎頭內(nèi)部壁面，最大值為0.9099，小于1.0，評定通過；最大疲勞累積損傷系數(shù)出現(xiàn)在油進(jìn)口外壁面倒角處，最大值為0.2956，小于1.0，故在設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)內(nèi)，蒸發(fā)器不會(huì)發(fā)生低周疲勞破壞。