高压加热器球壳接管极限载荷的有限元分析

陈云，张丽娜，李晓东，吴海斌

（1.广州声华科技有限公司，广东广州510700；2.湖南应用技术学院，湖南常德415100；3.广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山529228；4.湘潭大学，湖南湘潭411105）

高压加热器球壳接管极限载荷的有限元分析

陈云1，张丽娜2，李晓东3，吴海斌4

（1.广州声华科技有限公司，广东广州510700；2.湖南应用技术学院，湖南常德415100；3.广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山529228；4.湘潭大学，湖南湘潭411105）

利用有限元法，对某电厂一台高压加热器的球壳接管结构进行了极限载荷分析。采用理想弹塑性材料模型，基于小变形假设，通过弹塑性增量有限元分析，得到了球壳接管结构的塑性极限载荷。最后，根据JB4732标准对该结构进行评定。结果表明，该球壳接管结构满足强度要求。

高压加热器；接管；极限载荷分析；有限元法

高压加热器是火电工业生产系统中的一个重要组成设备，对提高电厂的效率具有重要作用。高压加热器作为一种承压设备，具有容积大、参数高的特点[1]，保证加压加热器的安全稳定运行对于电力生产的正常进行具有十分重大的意义。当前，对高压加热器筒体及管板应力分析的研究较多[2-4]，但对于高压加热器球壳接管的强度及应力分析研究较少[5]。然而，压力容器的接管过渡区域一般为高风险区域，容易萌生微裂纹，若进一步扩展则易导致泄露及安全事故发生。

目前，国内压力容器分析设计通常采用应力分类方法，即通过路径分析，应力线性化处理获得路径上的一次应力和二次应力，进而进行强度评定。但此方法存在一些不足，最大的难点在于对某些结构进行正确的应力分类存在一定困难[6-7]。极限载荷分析作为当前一种先进的压力容器分析设计技术，能避免应力分类方法的不足，求取结构的塑性极限载荷，对结构的承载能力做出更为准确的预测[8-9]。

本文针对某电厂的一台高压加热器，利用有限元方法，分析该高压加热器球壳接管结构在内压作用下的塑性极限载荷，预测结构的极限承载能力，为该设备安全稳定运行提供科学依据。

1 极限载荷分析基本原理

1.1 基本假设及相关概念

极限分析理论，采用理想-弹塑性材料模型，基于小变形假设。在一次静载情况下，当结构进行总体塑性流动时对应的状态为极限状态，相应的载荷为极限载荷。经典极限分析方法解决了部分简单结构的极限载荷计算，但对于工程中复杂的塑性极限问题则难以求解。随着非线性有限元法的发展，基于弹塑性有限元分析的极限载荷数值计算方法得到了充分发展，并已在工程问题中得到应用。

基于弹塑性有限元分析的极限载荷分析，同样采用理想-弹塑性材料模型和小变形假设，并且采用Von Mises屈服准则与关联流动法则。

1.2 弹塑性增量有限元法

非线性问题的结构刚度矩阵不再是常量，如式（1）所示，而是随着结构位移的改变不断发生变化。非线性问题中，引起结构刚度变化的原因，包括材料非线性、几何非线性和状态非线性。极限分析中，只考虑材料非线性。

求解该非线性方程一般采用增量方法，即将载荷分解成许多载荷增量，每一增量确定一平衡条件，即非线性结构可以用具有修正的线性逼近迭代系列进行分析。

1.3 极限载荷判据

利用弹塑性有限元求解极限载荷时，一个关键的问题是如何判定所施加的载荷达到了极限载荷。根据极限分析理论，极限载荷时结构开始发生无限制总体塑性流动时的载荷。采用弹塑性有限元进行分析时，当极小的载荷增量也不能得到收敛解时，就认为达到了极限载荷。需要指明的是，进入塑性计算阶段后，有限元计算的载荷增量或者载荷步长，必须逐步较小，若载荷增量或者载荷步长设置过大，会直接导致计算发散，这种称之为“数值发散”，不能将其作为极限状态。因此，分析者必须确保分析模型正确，并且严格避免“数值发散”情况。

2 球壳接管有限元分析模型

该高压加热器采用卧式U型结构，管程设计压力为27.5 MPa.球壳接管部分的结构如图1所示。该结构的材料为20MnMo，其屈服强度为370 MPa.

图1 球壳接管几何模型

根据结构特点及载荷与约束特性，取该结构的四分之一作为计算用的简化几何模型，如图2所示。选用SOLID185三维实体单元划分网格，为保证计算结果的精度，本文采用六面体单元进行网格划分。网格模型如图3所示，其中，节点数为21 271，单元数为15 843.

图2 球壳接管简化模型

图3 球壳接管网格模型

约束及载荷施加情况如图4所示，在两个对称面上施加对称约束，底面施加轴向约束，所有的内表面施加内压力，接管外端面施加轴向平衡力。

图4 载荷与约束

3 分析结果及强度评定

采用ANSYS有限元分析软件，对该结构进行弹塑性有限元分析。

通过几次试算，施加的内压为46 MPa时，求解收敛，当内压增至47 MPa时，求解发散。因此，根据上文所述的判据，得到该结构所能承受的内压极限载荷为46 MPa.

最终子步下该结构的Von Mises应力分布如图5所示。由图可见，两个接管部位均全部进入了塑性流动阶段，失去了进一步的承载能力，若继续增大内压，结构将发生整体塑性垮塌失效。因此，表明该结构在内压作用下已经达到了塑性极限状态。

图5 最终子步下的Von Mises应力云图

按照IB4732中5.4的要求，对该结构的强度评定如表1所示。

表1 强度评定及结果

4 结论

（1）本文采用弹塑性有限元方法，对高压加热器的球壳接管结构进行了极限分析，得到了该结构的极限载荷，并根据JB4732进行了强度评定，结果表明，该高压加热器的球壳接管结构满足强度要求，在正常设计内压下，不会发生塑性垮塌失效。

（2）本文的分析结果表明，采用极限载荷分析方法对压力容器进行强度分析与设计，不仅能够准确预测结构的极限承载能力，而且能够避免应力分类方法中的困难。

本文所采用的极限载荷分析方法，是当前分析设计中的先进设计方法之一，已成为当前各国压力容器设计人员的研究热点之一，加强该方法的研究与应用，有利于提高我国承压设备的整体设计水平。

[1]蔡锡琮.高压给水加热器[M].北京：水利电力出版社，1995.

[2]陈杰富，王立强.高加应力分析及结构设计优化[J].东方锅炉，2007（4）：8-14.

[3]陈冰冰，杨玉宇，郑三龙，等.复杂温度场下高压加热器筒体的应力模拟分析[J].压力容器，2007，24（6）：25-29.

[4]刘海亮，于洪杰，徐鸿，等.高压给水加热器厚管板的有限元分析（一）——考虑管箱、壳体和换热管影响的管板有限元实体模型的建立及稳态温度场分析[J].压力容器，2004，21（11）：19-22.

[5]顾琼彦.百万等级核电机组高压加热器应力分析[D].上海：上海交通大学，2010.

[6]陆明万，徐鸿.分析设计中若干重要问题的讨论[C]//全国压力容器学术会议压力容器先进技术精选集.2005.

[7]陆明万.关于应力分类问题的一些认识[J].化工设备与管道，2005，42（4）：10-15.

[8]梅林涛，陈朝晖，寿比南，等.换向器筒体极限载荷分析[J].化工设备与管道，2002，39（3）：11-13.

[9]沈鋆.极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用[J].石油化工设备，2011，40（4）：35-38.

Limit Load Analysis Based on FEA for Nozzle of High Pressure Heater

CHEN Yun1，ZHANG Li-na2，LI Xiao-dong3，WU Hai-bin4
（1.Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510700，China；2.Hunan Applied Technology University，Changde Hunan 415100，China；3.Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co.，Ltd.，Taishan Guangdong 529228，China；4.Xiangtan University，Xiangtan Hunan 411105，China）

In this paper，limit load analysis method based on FEA is used for a nozzle of a high pressure heater. Limit load of the nozzle is obtained by FEA，based on elastic-perfectly plastic and the assumption of small deformation.Finally，the intensity of the nozzle is checked based on JB4732.The result shows that the nozzle meet the requirement of intensity.

high pressure heater；nozzle；limit load analysis；FEM

TK223.5

A

1672-545X（2017）06-0164-02

2017-03-04

湖南省教育厅科学研究一般项目（16C1173、14C0767）

陈云（1989-），男，湖南永州人，助理工程师，本科，主要从事电厂承压设备的检测及CAE分析与强度评定工作；张丽娜（1987-），女，河南鹤壁人，硕士，研究生，主要从事过程装备仿真及优化和节能与环保等研究。