核電廠汽輪機高頻感應加熱螺栓數值模擬研究

周靄琳，葉 凱，朱凱亮，劉 斌，于群利

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

國內某核電廠汽輪機組包括1臺高壓缸和2臺低壓缸，高壓缸缸體是焊接而成，分為上、下缸體兩部分；低壓缸缸體為內、外裝配型結構，也分為上、下缸體兩部分；高、低壓缸的上、下汽缸法蘭由螺栓連接，相互之間接觸面大，需要足夠的嚴密性才能保證較高的熱效率和安全可靠性。為確保氣缸中分面帶負荷受熱狀態下的嚴密性，每顆螺栓緊固力較大。緊固螺栓長期工作在340℃以上的高溫高壓條件下，同時還受啟停機、變負荷時產生的熱應力影響，導致螺栓螺紋咬死的行業問題難以解決[1]。該電廠采用高頻感應加熱方式：利用電磁感應的方法使被加熱的材料內部產生電流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的[2]，從而緊固螺栓。因此用有限元分析法和熱固耦合分析功能，研究高頻感應加熱螺栓的溫度分布和應力變化規律[3]，以理論數據為依據指導實際工作，以期對高頻感應加熱器的參數優化和規范制定提供理論支持和參考。

1 螺栓模型介紹

該電廠汽輪機高壓缸中分面部分螺栓尺寸短、體型大，在加熱時由于熱傳導使螺帽和缸體同時升溫，難以拆解，因此選取有代表性的5英寸（12.7 cm）耐熱鋼SNB16的栽絲螺栓進行三維有限元建模，螺栓的基本信息、力學性能和物理性能見表1、表2。

表1 5英寸-8UN栽絲螺栓信息

表2 5英寸-8UN栽絲螺栓力學和物理性能

2 三維建模

對5英寸耐熱鋼SNB16的栽絲螺栓的結構特征進行簡化，建立熱緊螺栓的理論簡化模型，如圖1所示。加熱功率參照實際檢修工況：加熱棒輸入功率為20 kW，實際檢修時加熱約13 min能達到額定伸長量1.2 mm，由于無法測量螺栓內外表面溫度，只能測得螺母外壁溫度約38℃，相鄰缸體溫度33℃。本文采用單向間接耦合分析，螺栓和感應加熱棒均采用8節點六面體單元，整個有限元模型網格單元總數為60 717，節點總數為150 878，電磁感應加熱中磁單元采用SOLID117，熱單元采用SOLID90，結構單元采用SOLID186，建立高頻感應加熱螺栓的三維有限元分析模型，如圖2所示。

圖1 簡化結構

圖2 三維有限元模型

3 有限元分析

3.1 磁場分布規律

根據加熱參數可得輸入電流57.90 A，輸入電流密度35.72×106A/m2，由此建立了高頻感應加熱螺栓的熱固耦合場分析模型。螺栓內表面聚集了大量磁通量，磁場密度從中心向兩側逐漸減弱，螺栓外部及螺母的磁通量密度很小，最大的實部磁通量密度為0.187 T。這主要是由于集膚效應，螺栓中產生的感應電流會聚集于螺栓表層即內徑表面，而非平均分布于整個螺栓的截面積中。

3.2 溫度場分布規律

感應加熱13 min的螺栓溫度場分布如圖3所示。由于集膚效應，感應加熱作用于螺栓上時電渦流主要集中于螺栓的內徑附近，內徑附近的溫度率先上升。熱量沿徑向傳遞至外徑，進而溫度傳遞給螺母和外圍的空氣。因此，各個時刻整體的最高溫度均位于螺栓內徑中部的位置，加熱13 min時熱緊螺栓的最高溫度位于螺栓內徑的中部，最高為182.6℃，整體溫度場由螺栓內徑向外徑分布。隨著加熱時間的推移，整體溫度逐漸升高，溫度場分布向外側移動，螺栓的軸向溫差逐漸增加。在感應加熱過程中，螺母的溫度變化不大，感應加熱對螺紋的影響較小。

圖3 螺栓的溫度場

感應加熱13 min的螺母溫度場分布如圖4所示，可以看出溫度由螺母內徑底部向螺母外徑頂部逐漸降低，在加熱到13 min時最高溫度為39.1℃，位于螺母的內徑底部；實測螺母外壁溫度38℃，實際螺母內壁溫度應更高，這是因為螺栓對整個缸體有熱傳導，才導致螺帽實測溫度比計算值高，仍能滿足工程中技術規格書要求：加熱中任何時候靠近被旋緊螺母處外體表溫度不超過100～120℃。

圖4 螺母的溫度場

3.3 應力場分布規律

整體的應力場由螺栓內徑向外徑分布，隨著感應加熱時間的增加，螺栓外徑處的等效應力隨之增加。等效應力主要受溫度影響，螺栓內徑處的溫度相對較高，其熱應力也相對較大，螺栓的最大等效應力位于內徑附近。由于螺母的溫度較低，其相對等效應力比較小，最大等效應力位于螺母的底部。感應加熱過程中螺栓最大等效應力隨時間的變化曲線見圖5：在感應加熱的初始階段，螺栓的溫度增長特別快；在感應加熱中后期，螺栓的內外徑溫差趨于穩定，螺栓的等效應力受其影響同樣趨于穩定值，約124 MPa。

圖5 螺栓最大等效應力隨時間的變化曲線

3.4 螺栓伸長量分析

結構分析中將已得到的溫度場作為溫度載荷加載到有限元模型中，并在螺栓底部施加軸向位移約束，設置分析類型為瞬態分析。各個時刻內，整體的總位移均大致沿軸向分布，總位移自下而上逐漸增大，最大位移都位于螺母頂部（圖6）。隨著時間的增加，整體的最大總位移也隨之變大，最終時刻整體的最大總位移為1.23 mm，比實際伸長量1.2 mm大，分析認為是由于螺栓對外熱傳導，螺栓實際溫度低于計算值，因此實際伸長量低于計算值，但該偏差約2.5%，在合理范圍內。

圖6 加熱13 min后整體總位移

4 總結

本文對螺栓在高頻感應加熱條件下的磁場、溫度場、應力場進行耦合分析，得到如下結論：

（1）螺栓溫度場由內向外移動，隨加熱時長再延軸向擴散，最高溫度位于螺栓內徑中部約182.6℃，小于材料的最終熱處理溫度，材料不會出現局部屈服。

（2）螺帽最高溫度位于螺帽內徑底部，在感應加熱過程中最高約40℃，滿足技術規格書要求。

（3）感應加熱過程中螺栓應力在初始階段增長較快，應力變化趨勢與溫度趨勢成正比，最終熱應力穩定在124 MPa。

（4）螺栓伸長量延軸自下而上逐漸增加，在螺母處達到最大值，到加熱13 min時螺栓能達到應有伸長量1.23 mm。

通過有限元分析軟件，對某核電廠汽輪機高壓缸中分面螺栓建立三維有限元模型，計算分析出高頻感應加熱過程中螺栓內部溫度分布、應力變化和伸長量規律，與實際工況相吻合，驗證了有限元分析方法的合理性和正確性，為后續高頻感應加熱器的參數優化和規范制定提供理論支持和參考。