汽水分離器啟動(dòng)階段蒸汽入口切向斜接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

王志堅(jiān)，張福君，臧傳奇

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)大量含水分的蒸汽進(jìn)入汽水分離器后，蒸汽在分離器中以離心向下進(jìn)行傾斜式的運(yùn)動(dòng)，所夾帶的水分因速度降低而被逐漸分離，被分離出來(lái)的水分形成液體后，流經(jīng)筒體的下部疏水閥排出，干燥清潔的蒸汽從分離器上部的蒸汽出口排出。為使含水蒸汽在進(jìn)入分離器內(nèi)能離心向下運(yùn)動(dòng)，蒸汽入口處的接管需采用切向斜接結(jié)構(gòu)，以便讓蒸汽進(jìn)來(lái)時(shí)所夾帶的水滴沿內(nèi)壁螺旋向下運(yùn)動(dòng)，由于蒸汽密度小，蒸汽將向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到汽水分離的效果。蒸汽進(jìn)口的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該汽水分離器的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。汽水分離器蒸汽進(jìn)口處（蒸汽進(jìn)口1、蒸汽進(jìn)口2）的受力和力矩參數(shù)，如表2所示。

表1 汽水分離器的主要參數(shù)

表2 蒸汽進(jìn)口處的力和力矩

該汽水分離器所用材料SA－336F91的性能參數(shù)（具體見表3～表6）。

表3 材料SA－336F91的許用應(yīng)力

表4 材料SA－336F91的彈性模量及泊松比

表5 材料SA－336F91的導(dǎo)熱系數(shù)

表6 材料SA－336F91的熱膨脹系數(shù)

在汽水分離器運(yùn)行安全性的分析中，主要是考慮蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題，在GB150.3－2011的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，尚無(wú)此類斜接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，為此采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。汽水分離器從264℃升溫至345℃，按照1.57℃／min的溫升速率計(jì)算，由此可知，啟動(dòng)升溫時(shí)間為51.5min，即3 090s。

現(xiàn)主要研究汽水分離器的蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的安全問題，筒身模型選取長(zhǎng)度為2 000 mm，該長(zhǎng)度已經(jīng)超過JB／T4732－1995（2005年確認(rèn)）所規(guī)定的局部應(yīng)力區(qū)［2］，其他部位的結(jié)構(gòu)對(duì)此區(qū)域的影響可忽略不計(jì)。在此基礎(chǔ)上，建立模型，進(jìn)行分析計(jì)算。

1 斜接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械載荷即為內(nèi)壓及蒸汽入口處的推力和力矩對(duì)切向斜接結(jié)構(gòu)的作用力，考察載荷在其處的一次局部薄膜應(yīng)力是否滿足要求。計(jì)算時(shí)，用186號(hào)單元（此單元的特點(diǎn)是六面體模型，20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，可有效分析材料的塑性應(yīng)變和蠕變），此單元結(jié)構(gòu)在某些特殊位置會(huì)退化成四面體單元，非常適合于分析研究切向斜接管根部區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。

為此，建立有限元幾何模型，如圖2所示。單元網(wǎng)格數(shù)為284 808個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為359 600個(gè)。

圖2 整體及局部有限元模型

對(duì)有限元模型加載設(shè)計(jì)壓力、接管推力及力矩等機(jī)械載荷，并進(jìn)行計(jì)算，得到汽水分離器的應(yīng)力分布圖。選取該區(qū)域的最大應(yīng)力點(diǎn)，并經(jīng)過最大應(yīng)力點(diǎn)畫出最短路徑A－A；同時(shí)，根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度分布情況，選出可能是應(yīng)力最大的路徑B－B，如圖3所示。因?yàn)檎羝肟谔幥邢蛐苯咏Y(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在切向斜接結(jié)構(gòu)內(nèi)壁處。

圖3 汽水分離器的應(yīng)力分布和應(yīng)力分析路徑

1.2 溫度場(chǎng)分析

在加載溫度場(chǎng)時(shí)，選用90號(hào)單元，該單元有六面體20個(gè)結(jié)點(diǎn)單元，此單元亦可退化成四面體單元，適用于溫度場(chǎng)。熱應(yīng)力是當(dāng)溫度發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的自由熱變形被外部約束限制時(shí)所引起的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力，在加載時(shí)要選用工作溫度。因此，設(shè)置蒸汽接管及筒體的外壁參考溫度為264℃，蒸汽入口及筒身內(nèi)壁溫度為345℃。蒸汽將與接管內(nèi)壁發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)［3］的確定可以根據(jù)公式：

式中：λ—水蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；

x—接管直徑，m；

Rex—以x為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)，Rex＝

u—流體流速，m／s；

v—流體動(dòng)力粘度，m2／s；

Pr—普朗特系數(shù)。

根據(jù)該公式，計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)的平均值：

hx＝1 000W／（m2·K）。

對(duì)流換熱的熱量由內(nèi)壁向外壁傳導(dǎo)，由于設(shè)備外壁設(shè)置有保溫層，因此，在加載溫度場(chǎng)時(shí)，認(rèn)為外壁是絕熱的。在整個(gè)換熱及導(dǎo)熱的過程中，內(nèi)外壁以不同的速率升溫，通過選取設(shè)備在啟動(dòng)階段中各時(shí)刻的內(nèi)、外壁溫度，可以繪制內(nèi)外壁的溫度變化曲線，以此判斷汽水分離器蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的最大值應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻。圖4為汽水分離器啟動(dòng)階段每隔30s取樣一次，所獲的設(shè)備內(nèi)外壁溫度變化曲線。

圖4 汽水分離器內(nèi)外壁溫度

由圖4可知，內(nèi)壁在開始階段升溫迅速，然后趨于平緩；外壁升溫連續(xù)增加，最后不斷接近于內(nèi)壁溫度，在第3 090s時(shí)，溫差僅為0.218℃。在150s時(shí)，汽水分離器內(nèi)、外壁的溫差最大，此時(shí)的溫差約為48.881℃，即設(shè)備應(yīng)力最大值出現(xiàn)在該時(shí)刻。

1.3 熱固耦合分析

熱固載荷主要分析機(jī)械載荷（包括內(nèi)壓、接管推力及力矩）和溫度載荷對(duì)設(shè)備切向斜接結(jié)構(gòu)的作用，考察其二次應(yīng)力是否滿足要求。分析時(shí)，選用熱固耦合98號(hào)單元，并采用工作溫度和壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中加熱蒸汽及切向斜接管內(nèi)壁、筒體內(nèi)壁之間施加對(duì)流換熱系數(shù)1 000W／（m2·K）。

在分離器的啟動(dòng)階段，雖然內(nèi)壓不變，但在升溫過程中，由于不同時(shí)刻的切向斜接結(jié)構(gòu)所受熱應(yīng)力是變化的，因此，在整個(gè)升溫階段需要保證每一時(shí)刻該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均能滿足要求。為此，在計(jì)算過程中，每隔30s，對(duì)瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果進(jìn)行一次取樣。整理所得的取樣結(jié)果，歸納后，可劃分出幾個(gè)重要的分界點(diǎn)。

升溫30s時(shí)，汽水分離器在機(jī)械載荷和熱載荷的共同作用下，應(yīng)力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在切向斜接管外壁根部，該時(shí)刻的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 設(shè)備在30s時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度分布／Pa

從30s到1 200s之間，應(yīng)力最大點(diǎn)位置未發(fā)生變化，應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)是先增大后減小，在150s時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)了最大值168MPa，該時(shí)的應(yīng)力分布，如圖6所示。校核啟動(dòng)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度，僅需校核該時(shí)刻的應(yīng)力值即可。

圖6 設(shè)備在150s時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度分布／Pa

從1 200s到3 090s之間，應(yīng)力最大點(diǎn)從接管區(qū)域的外壁轉(zhuǎn)移到內(nèi)壁，且最大應(yīng)力點(diǎn)數(shù)值不斷增大。在3 090s時(shí)，設(shè)備內(nèi)、外壁溫差約0.218℃，熱應(yīng)力幾乎為零。該時(shí)刻的應(yīng)力分布，如圖7、圖8所示。

2 應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果評(píng)定

分離器在設(shè)計(jì)工況下，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在接管區(qū)域的內(nèi)壁，通過最大應(yīng)力點(diǎn)繪制A路徑（見圖3），得出接管根部的局部薄膜應(yīng)力值為62.33MPa；分離器在啟動(dòng)的整個(gè)階段，應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在150s時(shí)刻，通過最大點(diǎn)繪制B路徑（見圖6），得出接管根部的二次應(yīng)力的應(yīng)力值為152.9MPa。2條危險(xiǎn)路徑應(yīng)力值的評(píng)定結(jié)果，如表7所示。

表7 計(jì)算應(yīng)力的評(píng)定結(jié)果

通過應(yīng)力計(jì)算可知，在分離器整個(gè)啟動(dòng)過程中，切向斜接管的根部區(qū)域的強(qiáng)度是足夠的，設(shè)備運(yùn)行是安全的。

3 分析結(jié)果

通過對(duì)分離器的應(yīng)力分析，可知分離器的切向斜接管的應(yīng)力分布，由此可得分析結(jié)果。

（1）對(duì)汽水分離器每隔30s進(jìn)行瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果取樣，由應(yīng)力分析可知，在設(shè)備的啟動(dòng)階段，由于汽水分離器蒸汽入口切向斜接結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此，應(yīng)力最大點(diǎn)必然出現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)的外壁或內(nèi)壁。

（2）從分離器啟動(dòng)至其運(yùn)行1 200s過程中，由于溫度載荷產(chǎn)生的二次應(yīng)力比機(jī)械載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力大，且二者方向不一致，因此，這段時(shí)間內(nèi)，汽水分離器蒸汽入口部分的應(yīng)力最大點(diǎn)始終出現(xiàn)在切向斜接結(jié)構(gòu)的外壁，但因汽水分離器內(nèi)、外壁溫差的變化趨勢(shì)為先增大后減小，所以，應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)亦為先增大后減小，且在150s時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)了最大值。

（3）從分離器啟動(dòng)1 200s至正常運(yùn)行過程中，由于汽水分離器內(nèi)、外壁的溫差相差不大，導(dǎo)致溫度載荷產(chǎn)生的二次應(yīng)力比機(jī)械載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力小，且二者方向仍然不同，因此，汽水分離器蒸汽入口部分的應(yīng)力最大點(diǎn)轉(zhuǎn)移到切向斜接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，且應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)為先減小后增大（即二次應(yīng)力越來(lái)越小，與一次應(yīng)力相抵消的能力越來(lái)越?。?。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)汽水分離器的應(yīng)力計(jì)算，可得出汽水分離器蒸汽入口斜接接管最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻及所在位置，這不僅可對(duì)今后的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)，對(duì)工程計(jì)算亦有一定的參考價(jià)值。