凝汽器水室強度分析

薛英喜 洪增元

摘 要：本文對凝汽器水室進行實體建模，使用ABAQUS軟件對水室在設計壓力和試驗壓力下的強度進行分析計算，通過分析水室在設計壓力及試驗壓力下的壓力及變形情況，對凝汽器水室結構提出改進措施，為水室的優化設計提供參考。

關鍵詞：凝汽器 水室 強度分析

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0081-02

凝汽器是使驅動汽輪機做功后排出的蒸汽變成凝結水的熱交換設備。水室是凝汽器中引導冷卻水進入和離開冷卻管的部件，直接關系到機組的熱效率。本文利用ABAQUS軟件對設計壓力和試驗壓力下的水室進行強度分析，計算得到了相應工況下的水室應力和變形情況，對凝汽器水室結構進行評價分析，為水室的優化設計提供參考。

1 建模

1.1 結構模型

水室主要由主殼體、加強管及連通管焊接而成，根據提供的圖紙，通過UG軟件建立水室的三維模型，如圖1所示，水室側板及加強筋板采用SA516.Gr70材料，許用應力為138MPa。彈性模量：2.1×105MPa，材料密度：7.85×103 kg/m3，泊松比：0.3。

1.2 有限元計算模型

設計壓力為0.5MPa，水壓試驗壓力為0.65MPa，水室靜水壓力相對試驗壓力較小，在此忽略不計。對矩形法蘭處進行約束，限制其6個自由度，在循環水接口處法蘭連接壓力試驗堵板。

2 計算結果分析

2.1 水室在0.5MPa設計壓力下

由應力結果可知（圖1），水室較大應力出現位置主要集中在一些結構不連續區域，如側板和底部平板以及連通管相交位置，水室整體并沒有較大面積的高應力區域出現，還可以看到水室內排加強管倒數第二根所承受拉力較大，最大應力為245.5MPa，已經超過加強管材料SA-106的屈服極限240MPa。其原因為這一部分側板表面受內壓變形較大，而加強管截面積相對較小，不足以承受兩側板的拉力所致。應考慮在不影響水室流場的情況下，增加加強管的直徑或以加強桿替代以滿足強度的要求。

水室的變形情況如圖2所示。從中可以看到，在0.5MPa設計壓力作用下，水室最大變形出現在內排加強管倒數第二根，變形為5.9mm。殼體最大變形發生在側板中下部，最大變形為4.3mm，造成此處變形較大的原因是由于加強管布置間距較大所致，但4.3mm的最大變形量相對于30mm的殼體厚度來說可以忽略。

2.2 水室在0.65MPa試驗壓力下

由應力結果可知，在0.65MPa試驗壓力下，水室較大應力出現位置與設計壓力時基本相同，水室整體并沒有較大面積的高應力區域出現。水室內排加強管倒數第一根、第二根所承受拉力較大，最大應力為253.5MPa，同樣已經超過加強管材料SA-106的屈服極限240MPa。為防止加強管整體屈服應考慮進行加強。

同時，在0.65MPa試驗壓力下，水室最大變形出現在內排加強管倒數第二根，變形為10.02mm。殼體最大變形發生在側板中下部，最大變形為6.74mm，水室殼體變形較小不會對整體剛度造成大的影響，但由于加強管應力屈服引起的過大變形，需要對其進行重新加強。

2.3 改進方案

水室內部加強管并不是每根都承受著很大的側板受壓擴張所帶來的拉力，只有臨近連通管管口的4根加強管受力較大，尤以內排加強管最下面的兩根為最大。可以采用去除外排（靠近法蘭側）加強管，內排只保留連通管管口附近的4個加強管的改進方案。

同時，水室內排加強管倒數第一、第二以及第三根的應力都已經達到其材料的屈服極限，其原因主要是由于加強管外徑較小（截面慣性矩較小）導致剛性不足所引起的。因此我們將加強管改為相同直徑的加強桿來對側板進行加強。

3 結語

通過ABAQUS計算得到了水室結構的應力和位移分布情況，結果表明：水室主殼體在0.5MPa設計壓力和0.65MPa水壓試驗壓力下的結構均能夠滿足強度要求；水室內部加強管結構不足以承受側板拉力，應力達到屈服，可能會對水室結構安全造成影響。可以考慮以水室連通管臨近4根加強桿（或與其截面積相等的加強管）結構替代原設計中的兩排各6根加強管結構的改進方案。

參考文獻

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