基于ANSYS的高压加热器应力应变分析

2014-12-18李小汝覃才友

制造业自动化 2014年24期

李小汝，黄娟，覃才友

（四川工程职业技术学校机电工程系，德阳 618000）

0 引言

高压给水加热器（高加）是核电和火电提高热经济性的重要铺机。由于高加承受的汽水参数较高，工作环境恶劣，因此高加的设计、材质、制造、检修和运行都提出了很高要求，一旦发生故障停运，将会影响电厂安全经济发电，甚至造成设备和人员伤亡。高加作为一种大型的高压高温的换热设备，其设计制造存在一定的技术难度，所以大多数从国外引进相关技术，甚至材料和零部件等也是从国外购入，大多数的技术数据和指标来源于国外，缺乏对我国具体情况的验证性分析和实验[1,2]。

随着高压加热器向着大型化、高参数、复杂化方面发展，常规的靠经验公式设计压力容器零部件的方法受到了限制[3]，使用有限元方法进行压力容器的设计和分析已经越来越普遍。许建民，王晓清[4]等人模拟了波节管换热器的应力分布情况，并与试验进行验证分析。杨宏悦，蔡纪宁[5]对某大型固定管板换热器管板进行了温度场和热应力场的数值模拟，并提出了温度场和热应力场迭代计算的必要性。为简化带膨胀节固定管板换热器的有限元计算，周林探讨了简化膨胀节的计算方法，其计算结果与全模型相差约2.6%，表明了其简化模型的可行性[6]。马永其VC++语言构建了固定管板式换热器的有限元应力分析系统框架，为换热器的开发设计人员提供了有力工具[7]。文献大多数都只涉及应力分析，对大型高压加热器的应变分析较少。本文以日本三菱生产的JG1420高压加热器为对象，分析高压加热器在3种不同工况下的应力应变，以期为高压加热器的设计和开发人员提供指导意见和参考价值。

1 高压加热器有限元模型的建立

本文研究的JG1420高压加热器属于三段式U型换热设备，如图1所示。

图1 高压加热器模型

其基本运行参数如表1所示。

表1 高压加热器的运行参数

由于模型很大，需要对模型做适当的简化处理。由于整个前后对称，分析时取模型的一半计算，在壳程侧，根据边缘效应[7]，外伸长度取为500mm。根据GB151将管板上的孔和换热管简化掉，等效为均质各向同性实心板，根据GB151和部标JG4732，确定管板的刚度和强度削弱系数，等效后的管板泊松比ν*=0.3，刚度削弱系数λ=0.45，强度削弱系数β=0.4。利用ANSYS的APDL直接建立高压加热器的三维简化模型，并用SOLID87划分网格，其模型如图2所示。

图2 高压加热器的有限元模

2 高压加热器的应力应变分析

该高压加热器壳程材料为SA516M-Gr485，管板材料为SA266-C2，表2列出了两种材料在不同温度下的屈服极。

表2 管板和壳程材料屈服极限

由于高压加热器在运行过程中，压力载荷和温度载荷可能同时作用或者单独作用，因此，本文分别分析了温度，压力和温度压力耦合作用下高压加热器的应力应变情况。

2.1 温度作用下的应力应变

为了获得高压加热器的热应力及应变，需要对高压加热器进行温度场的模拟，再将温度场作为结构分析的载荷施加到模型中，施加相应的约束条件即可，分析结果如图3所示。

图3 只有温度作用下的应力分布

图4 只有温度作用下的应变分布

从图3中可以看出，热应力主要集中在管板和壳体的连接处，最大热应力是242MPa，主要原因是管板和壳体连接处的不连续以及此处的温度梯度较大，壳体和管板的线性膨胀率不同导致的。实际工程中，高压加热器发生故障最多的地方也是管板和壳体连接的地方，经常因为应力过大，塑形变形失效后发生泄漏的事故。从图4中的应变图中可以看出，应变的主要区域位于管板和壳体连接处，在壳侧隔板上半部分应变明显大于下半部分，最大应变发生在壳侧隔板的上半部分区域，最大应变值是2.91×10-2。

2.2 压力作用下的应力应变

施加对应的约束和边界条件后得到的应力云图如图5所示，从应力云图看出，最大应力为313MPa，发生在疏水出口的尖角出，这里实际上是由于模型几何形状导致的，从整体来看，在过渡圆弧出的应力都比较大。壳侧与管板相连接处，倒角过渡圆弧地方应力达到215MPa。

图5 只有压力作用下的应力分布

从图6中可以看出最大的应变发生在管板管程侧的过度圆弧处，最大应变值为1.12×10-2，应变的主要区域在过渡圆弧处，在过渡圆弧处的应变分布比较均匀，并且管板的应变明显高于封头和管壳。

图6 只有压力作用下的应变分布

2.3 温度和压力耦合作用下的应力应变

图7 耦合作用下的应力分布

在温度和压力耦合作用下的分析中，结合只有压力和只有温度情况下的约束和边界条件，即可得到耦合作用下的应力场。其应力分布云图如图7所示。

从图7中可以看出，温度和压力共同作用下，其应力分布和单独热应力作用下的分布情况大致相同，温度热应力的影响不容忽视。对于管板，在管板圆心处相对其他要稍大，而球形封头应力主要集中在相惯的几个过渡圆弧处，平均都达到了200MP。

图8 耦合作用下的应力分布

从图8可以看出，应变的分布区域和应力分布区域有些不一样，最大的应变在壳体和管板连接处，其最大应变值为1.96×10-2，最大应变值小于只有热载荷作用下的应变，这说明耦合作用下并没有导致应变的继续增加，反而舒缓了应变。应变的分布规律和热应力分布规律大致相同。封头和管板接触的地方应变明显小于只有热载荷的情况，这种差异是由于热应力和压力耦合作用的结果。

根据上面的应力分布图，选取以下几个路径观测其应力随着路径的变化情况。

PATH1：管板和壳体接触的倒角圆弧圆周方向。

PATH2：管板厚度方向，由管侧指向壳侧。

图9 PATH1上的Von Mises Stress和Stress Intensity

从图9中看出，在路径1上，在靠近管板的壳体厚度方向，由于连接处的过渡圆弧的影响，应力出现几个小的峰值，最大的Von Mises Stress应力是155.3376MPa，最大Stress Intensity应力为162.5181MPa。

图10 PATH2上的Von Mises Stress和Stress Intensity

从图10中看出，在路径2上在管板的两侧应力稍大，最大的应力发生在壳侧，最大Von Mises Stress为73.53MPa，最大Stress Intensity为81.95826MPa，没有发生塑形变形。可以看出Stress Intensity曲线和Von Mises Stress变化规律相同，但是Stress Intensity比Von Mises Stress曲线高，所以用第三强度理论对高压加热器进行校核是偏于安全的。