旋风分离器蒸汽进口的分析计算

张焱，金东杰，马斓擎，郭云龙，金刚

（中核能源科技有限公司， 北京 100193）

高温气冷堆示范工程（HTR-PM）废液处理系统作为核电站的重要组成部分之一，用于分类收集、贮存、处理和排放核电站在正常工况和预期运行事件下产生的放射性液体。旋风分离器是废液处理系统的关键设备，主要用于高温气冷堆放射性废液蒸汽的净化。旋风分离器靠气体切向引入造成旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。根据这一原理，旋风分离器的蒸汽进口采用切向方形进口，连接一段天圆地方结构，最后由一段接管连接管法兰。本文即对旋风分离器的蒸汽进口进行了分析计算。

1 设计参数

表1 旋风分离器参数表

注：1.风载荷、地震载荷、重力载荷及设备内液柱静压头（气体，无静压头）产生的应力与设备内压产生的应力相比较小，对设备影响很小，因此不考虑风载荷、地震载荷、重力载荷及设备内液柱静压头的影响。2.在正常操作情况下，容器设置了有效的保温，内外壁温差小，温度梯度很小，温差应力对本设备强度影响较小，故忽略热载荷相关计算。3.在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算。本报告中选用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。

表2 材料性能参数

2 结构形式

图1 旋风分离器结构形式

3 结构特殊性分析

根据旋风分离器工作原理，其蒸汽进口采用切向方形进口，矩形接管连接一段天圆地方结构，然后接一段圆形接管，再连接管法兰，如图1。常规计算无法对切向方形开孔补强和天圆地方结构进行强度计算。GB/150中关于开孔和开孔补强给出了等面积法和分析法。等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0[1]。分析法适用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计[1]。旋风分离器蒸汽进口开孔形式是方孔，不符合GB/150中等面积法和分析法的开孔要求；而且方孔的长径与短径之比大于2；且分析法不支持非径向开孔。这些表明，旋风分离器的开孔补强不符合常规设计计算方法。GB/150.3附录A对于非圆形截面容器给出了设计计算方法，计算公式适用于容器纵横比大于4的情况。对于纵横比小于4的容器，仍可用本附录的公式进行计算，但结果将偏于保守[1]。分离器蒸汽进口方管可以看作无加强对称矩形截面容器，根据GB/150附录A进行计算。但因为蒸汽进口方管纵横比小于4，结果会偏保守。天圆地方结构是一种方圆变径的特殊结构，其两端端面分别是圆形与方形。由于其结构的特殊性，在进行结构强度计算时，GB/150无相关计算模型和计算方法。因此需要采用有限元法对其进行分析计算。

4 分析计算

4.1 用有限元法对分离器蒸汽进口进行分析

4.1.1 有限元分析模型

以设备轴线为Y轴，建立直角坐标系。根据该分离器结构特点及分析部位，仅考虑蒸汽进口及所在部分筒体（长度取管口两侧各400mm，远大于边缘应力衰减长度）。建立设备的有限元模型如图2所示。为获取准确的应力分布情况，模型为包含筒体、方孔、天圆地方和圆形接管的三维实体模型。为方便建模和求解，对有限元模型进行了简化处理：（1）忽略方孔与天圆地方处焊缝、结构和流体自身重力等对应力分布的影响。（2）假设各处焊缝材料与母体材料相同。结构分析采用20节点六面体等参单元——SOLID186进行网格划分。

图2 模型与网格

4.1.2 载荷及边界条件

计算载荷作用下的受力情况，在设备的内壁施加内压载荷，在圆形接管的外端面上施加等效平衡面载荷。为防止模型刚体位移，选取筒体上端作为约束平面，对上端面轴向和周向进行约束，对筒体下端施加对称约束，如图3所示。

图3 载荷及边界条件

4.1.3 应力计算

分离器蒸汽进口应力分布如图4所示。从图中可以看出，由于在方管壁板和筒体壁板的结合位置发生了形状突变，应力水平也偏大。特别是方管角点与筒体结合处，出现了应力集中现象。由有限元计算结果表明，最大应力出现在方形接管长边与筒体非切向连接处的角点外表面，其值为221.45MPa。

图4 应力分布

为进一步研究其应力分布，对各关键部位进行应力线性化。应力线性化路径的选择原则为：（1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；（2）对于相对高应力强度区，沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；（3）对于形状突变处，沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径。

分别对不同结构位置进行分析，设定路径：

（a）根据应力分布图中在开孔补强区应力强度最大点的位置，选取路径A，见图5。

图5 应力线性化PathA

（b）选择方形接管长边中点位置、短边中点位置及角点位置作为研究对象，分别选取路径J、K、L、O，见图6～图9。

图6 应力线性化PathJ

图7 应力线性化PathK

图8 应力线性化PathL

图9 应力线性化PathO

（c）天圆地方接管与圆形接管连接处为不连续区，分别选取路径R、S，见图10、图11。

图10 应力线性化PathR

图11 应力线性化PathS

4.1.4 应力评定结果与分析

分别对开孔补强结构、方孔结构和天圆地方结构进行线性化处理，结果如下：

表3 开孔补强结构应力最大点处路径应力强度评定表

表4 方孔结构各路径应力强度评定表

表5 天圆地方结构各路径应力强度评定表

按应力的性质、影响范围及分布状况将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。将薄膜应力归为Pm或Pl、弯曲应力归结为Pb，在结构不连续区或形状突变部位，弯曲应力存在很大二次应力成分，故此部位薄膜应力加弯曲应力归为一次+二次应力。

5 结论

对分离器蒸汽进口偏心方孔的开孔补强结构、方孔结构、天圆地方结构采用有限元法进行分析计算，对应力最大点、相对高应力区以及形状突变处等位置进行应力线性化，结果表明，该分离器筒体和方形接管以及天圆地方结构在所给出厚度下的应力水平较低，满足强度要求。

◆参考文献

[1] GB/T 150.3-2011，压力容器 设计[S].

[2] JB/T4732-1995，钢制压力容器-分析设计标准（2005年确认）[S].

[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. 压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005.