復(fù)雜載荷下集汽聯(lián)箱開(kāi)孔接管部位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

，，

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

鍋爐的主要承載部件上均需要設(shè)置各種形狀的開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)。這些開(kāi)孔或接管不但消弱了部件的強(qiáng)度，而且在承載殼體與接管的連接處破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使之在內(nèi)壓力和熱載荷作用下產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力。由于開(kāi)孔接管部位大都存在殼體和接管的角接焊縫，而且這些焊縫及其熱影響區(qū)通常存在各種缺陷，在高應(yīng)力作用下這些缺陷就容易擴(kuò)展開(kāi)裂[1]，可以說(shuō)開(kāi)孔接管部位作為鍋爐典型的結(jié)構(gòu)組成，其應(yīng)力和變形狀況直接決定著鍋爐運(yùn)行的安全性、可靠性及使用壽命。因此分析開(kāi)孔接管部位在工作環(huán)境下的應(yīng)力和變形，對(duì)及早發(fā)現(xiàn)缺陷和分析部件的可靠性有重要的意義。

1 計(jì)算方法與步驟

采用瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算集汽聯(lián)箱開(kāi)孔接管部位的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，并分析了開(kāi)孔接管部位的溫度和應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。在求解熱應(yīng)力時(shí)采用間接法，即首先用Thermal Solid：Tet 10node 87單元進(jìn)行熱分析，求得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，然后用Structural Solid：10node 92單元進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)分析，將前面求得的溫度場(chǎng)作為體積載荷加到結(jié)構(gòu)中，求解應(yīng)力分布。具體步驟為：

1) 在UG NX 4.0中建立聯(lián)箱的模型,以Parasolid文件形式導(dǎo)出。

2) 在ANSYS中，導(dǎo)入Parasolid文件，并對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3) 定義熱分析所需材料特性。

4) 加載求解溫度場(chǎng)，查看溫度場(chǎng)分布及A、B點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的情況。

5) 重新進(jìn)入前處理，轉(zhuǎn)換單元類(lèi)型，設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性。

6) 設(shè)置邊界條件約束。

7) 施加節(jié)點(diǎn)溫度載荷，讀入熱分析的結(jié)果文件，施加壓力載荷。

8) 求解熱應(yīng)力。

9) 查看應(yīng)力分布，及C，D點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。

2 開(kāi)孔接管部位在復(fù)雜載荷作用下的有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

1) 聯(lián)箱材質(zhì)12Cr1MoV，規(guī)格：直徑273 mm×36 mm；接管材質(zhì)12Cr1MoV，規(guī)格：直徑168 mm×24 mm；集汽聯(lián)箱工作參數(shù)為9.8 MPa，540 ℃，取聯(lián)箱長(zhǎng)1 000 mm，管外伸200 mm，見(jiàn)圖1。

圖1 聯(lián)箱及接管模

2) 聯(lián)箱材料的熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表1、2[1-2]。

表1 不同溫度下12Cr1MoVg的導(dǎo)熱系數(shù)λ

表2 12Cr1MoVg的熱物理性能參數(shù)

3) 取整體的1/4為計(jì)算模型。整體自由劃分，開(kāi)孔接管處細(xì)劃分，共5 392個(gè)單元，10 183個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

2.2 邊界條件和載荷

2.2.1 載荷分布情況及邊界條件約束

當(dāng)過(guò)熱蒸汽從聯(lián)箱和接管內(nèi)流動(dòng)時(shí),熱流從內(nèi)向外,內(nèi)壁溫度要高于外壁,此時(shí)管壁沿軸向的變形,在無(wú)約束時(shí),內(nèi)壁膨脹量要大于外壁。但是管壁是一個(gè)整體,只能產(chǎn)生一個(gè)平均伸長(zhǎng),這樣,管壁內(nèi)部被拉長(zhǎng),外部被壓縮,于是產(chǎn)生軸向熱應(yīng)力。當(dāng)聯(lián)箱冷卻后,就會(huì)產(chǎn)生方向相反的殘余應(yīng)力。所以聯(lián)箱工作時(shí)內(nèi)部將產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力,外壁產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力,當(dāng)聯(lián)箱停止工作時(shí)則產(chǎn)生相反的應(yīng)力。事實(shí)上鍋爐聯(lián)箱正是承受著這種反復(fù)的拉壓作用,而長(zhǎng)期承受這種大幅變化的熱應(yīng)力作用以及筒內(nèi)較大的壓力作用,開(kāi)孔接管部位就會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。

圖3 開(kāi)孔接管1/4模

表3 聯(lián)箱載荷

2.2.2 對(duì)流換熱系數(shù)的求解

由于集汽聯(lián)箱內(nèi)部換熱狀況復(fù)雜，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算換熱系數(shù)難以得到精確的結(jié)果，因此本文采用有限元方法反算對(duì)流換熱系數(shù)[3]。首先測(cè)出各聯(lián)箱啟動(dòng)時(shí)各時(shí)刻外壁和蒸汽的溫度，并假定一個(gè)換熱系數(shù)，通過(guò)有限元求解得出一個(gè)外壁溫度，用計(jì)算出的壁溫與測(cè)得的壁溫比較，然后適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)先前假定的換熱系數(shù)，再次求解壁溫，并與測(cè)得的壁溫比較并調(diào)整換熱系數(shù)，這樣不斷的迭代計(jì)算直到得出吻合的結(jié)果為止，得到聯(lián)箱起動(dòng)過(guò)程中各時(shí)期的對(duì)流傳熱系數(shù)見(jiàn)表4。

表4各時(shí)刻內(nèi)壁對(duì)流傳熱系數(shù)K反算結(jié)W/(m2·℃)

t/s0～180>180～240>240～300>300～360K/[W·(m·℃)-1]833.0919.4919.4988.0t/s360～420420～600600～900K/[W·(m·℃)-1]1 043.81 071.61 071.6

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 查看溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況

溫度場(chǎng)求解共7個(gè)載荷步，設(shè)置載荷子步長(zhǎng)為10 s，求得溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖4；應(yīng)力場(chǎng)求解共設(shè)7個(gè)載荷步，設(shè)置載荷子步長(zhǎng)為10 s，求得各向應(yīng)力分布見(jiàn)圖5-7。

圖4 900 s時(shí)溫度場(chǎng)分布情

由圖4可見(jiàn)開(kāi)孔接管部位溫差最大，因此該部位產(chǎn)生的熱應(yīng)力也最大。通過(guò)查看等效應(yīng)力分布可知C點(diǎn)處應(yīng)力最大，該處等效應(yīng)力值為276～309 MPa，其次是D點(diǎn)處，其等效應(yīng)力值為145～178 MPa。顯然聯(lián)箱在冷態(tài)緊急啟動(dòng)時(shí)C，D兩處應(yīng)力值已經(jīng)接近甚至超過(guò)了材料的屈服極限，因此頻繁啟動(dòng)時(shí)這些部位很容易產(chǎn)生裂紋。

圖5 900 s時(shí)x方向應(yīng)力場(chǎng)分布情況

圖6 900 s時(shí)y方向應(yīng)力場(chǎng)分布情況

圖7 900 s時(shí)z方向應(yīng)力場(chǎng)分布情況

由圖5-7可知聯(lián)箱啟動(dòng)900 s時(shí)，開(kāi)孔接管部位C處x方向應(yīng)力較大，其值在262～300 MPa之間。又C位于接管部位內(nèi)壁，則聯(lián)箱疲勞破壞時(shí)裂紋會(huì)在該處沿x軸方向裂開(kāi)并向y、z軸方向延伸；D位于接管部位外壁，而且該處y軸和z軸方向應(yīng)力較大，分別為149～183 MPa，133～163 MPa。因此裂紋會(huì)在該處沿著接管部位的弧線(xiàn)延伸；由于C處應(yīng)力值超出了材料的屈服極限并且大于D處的應(yīng)力，C處又位于聯(lián)箱內(nèi)壁，所以當(dāng)聯(lián)箱外壁D處出現(xiàn)裂紋時(shí)，C處裂紋早已形成并擴(kuò)展開(kāi)了。

2.3.2 溫度及應(yīng)力隨時(shí)間變化情況分析

利用時(shí)間歷程后處理查看聯(lián)箱開(kāi)孔接管部位外壁A、B2點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化情況，以及C、D2點(diǎn)處各向應(yīng)力和等效應(yīng)力隨時(shí)間變化情況，見(jiàn)圖8～10。

圖8 A、B、C點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化情

圖9 C點(diǎn)處等效應(yīng)力及x方向應(yīng)力隨時(shí)間變化情

圖10 D點(diǎn)處等效應(yīng)力及y、z方向應(yīng)力隨時(shí)間變化情

由圖8可知開(kāi)孔接管部位最大溫差出現(xiàn)在聯(lián)箱啟動(dòng)后360 s時(shí)，因此該時(shí)刻產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大。由于聯(lián)箱內(nèi)壓力在管壁產(chǎn)生的徑向應(yīng)力總是壓應(yīng)力，環(huán)向應(yīng)力總是拉應(yīng)力；而溫度變化在管壁產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，外表面是壓應(yīng)力，內(nèi)表面是拉應(yīng)力。C處壓力和溫度變化產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力都是拉應(yīng)力，所以該處x方向應(yīng)力較大；D處壓力和溫度變化產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力分別是拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此該處總的應(yīng)力值稍小，又由于外表面徑向壓應(yīng)力為0，所以D處x方向應(yīng)力很小。通過(guò)上述分析及圖8～10可以得出結(jié)論：在保證D處應(yīng)力不超過(guò)材料屈服極限時(shí)，可以通過(guò)將最大溫差控制在啟動(dòng)過(guò)程的前期來(lái)降低C處的最大應(yīng)力值。

3 結(jié)論

1)C點(diǎn)處應(yīng)力值最大，已經(jīng)超出了材料的屈服極限，該處裂紋將沿x方向裂開(kāi)并向橫向截面擴(kuò)展。

2)D點(diǎn)處應(yīng)力值接近材料的屈服極限，該處裂紋將沿著開(kāi)孔接管的弧線(xiàn)形成并擴(kuò)展。

3) 開(kāi)孔接管部位裂紋首先在內(nèi)壁與橫向截面相交處即C點(diǎn)處產(chǎn)生；聯(lián)箱啟動(dòng)過(guò)程中，在保證D點(diǎn)處應(yīng)力值不超出材料屈服極限情況下，將最大溫差控制在前期，可降低C點(diǎn)處的最大應(yīng)力值；實(shí)際工作中應(yīng)盡量避免鍋爐聯(lián)箱緊急啟動(dòng)，在平時(shí)鍋爐維護(hù)保養(yǎng)中應(yīng)仔細(xì)的檢查C、D兩個(gè)部位，以防止和及時(shí)消除故障。

[1] 王澤軍．鍋爐結(jié)構(gòu)有限元分析[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

[2] 《汽輪機(jī) 鍋爐 發(fā)電機(jī)金屬材料手冊(cè)》編寫(xiě)組．汽輪機(jī) 鍋爐 發(fā)電機(jī)金屬材料手冊(cè)[M]．上海：上海人民出版社，1973．

[3] 楊自春，黃玉盈．某型船用主鍋爐聯(lián)箱在復(fù)雜換熱條件下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析[J]．熱能動(dòng)力工程，1995，10(6)：359-365．