凝汽器水室強(qiáng)度分析

薛英喜 洪增元

摘 要：本文對(duì)凝汽器水室進(jìn)行實(shí)體建模，使用ABAQUS軟件對(duì)水室在設(shè)計(jì)壓力和試驗(yàn)壓力下的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，通過分析水室在設(shè)計(jì)壓力及試驗(yàn)壓力下的壓力及變形情況，對(duì)凝汽器水室結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)措施，為水室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：凝汽器 水室 強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0081-02

凝汽器是使驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功后排出的蒸汽變成凝結(jié)水的熱交換設(shè)備。水室是凝汽器中引導(dǎo)冷卻水進(jìn)入和離開冷卻管的部件，直接關(guān)系到機(jī)組的熱效率。本文利用ABAQUS軟件對(duì)設(shè)計(jì)壓力和試驗(yàn)壓力下的水室進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算得到了相應(yīng)工況下的水室應(yīng)力和變形情況，對(duì)凝汽器水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為水室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型

水室主要由主殼體、加強(qiáng)管及連通管焊接而成，根據(jù)提供的圖紙，通過UG軟件建立水室的三維模型，如圖1所示，水室側(cè)板及加強(qiáng)筋板采用SA516.Gr70材料，許用應(yīng)力為138MPa。彈性模量：2.1×105MPa，材料密度：7.85×103 kg/m3，泊松比：0.3。

1.2 有限元計(jì)算模型

設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa，水壓試驗(yàn)壓力為0.65MPa，水室靜水壓力相對(duì)試驗(yàn)壓力較小，在此忽略不計(jì)。對(duì)矩形法蘭處進(jìn)行約束，限制其6個(gè)自由度，在循環(huán)水接口處法蘭連接壓力試驗(yàn)堵板。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水室在0.5MPa設(shè)計(jì)壓力下

由應(yīng)力結(jié)果可知（圖1），水室較大應(yīng)力出現(xiàn)位置主要集中在一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，如側(cè)板和底部平板以及連通管相交位置，水室整體并沒有較大面積的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)，還可以看到水室內(nèi)排加強(qiáng)管倒數(shù)第二根所承受拉力較大，最大應(yīng)力為245.5MPa，已經(jīng)超過加強(qiáng)管材料SA-106的屈服極限240MPa。其原因?yàn)檫@一部分側(cè)板表面受內(nèi)壓變形較大，而加強(qiáng)管截面積相對(duì)較小，不足以承受兩側(cè)板的拉力所致。應(yīng)考慮在不影響水室流場(chǎng)的情況下，增加加強(qiáng)管的直徑或以加強(qiáng)桿替代以滿足強(qiáng)度的要求。

水室的變形情況如圖2所示。從中可以看到，在0.5MPa設(shè)計(jì)壓力作用下，水室最大變形出現(xiàn)在內(nèi)排加強(qiáng)管倒數(shù)第二根，變形為5.9mm。殼體最大變形發(fā)生在側(cè)板中下部，最大變形為4.3mm，造成此處變形較大的原因是由于加強(qiáng)管布置間距較大所致，但4.3mm的最大變形量相對(duì)于30mm的殼體厚度來說可以忽略。

2.2 水室在0.65MPa試驗(yàn)壓力下

由應(yīng)力結(jié)果可知，在0.65MPa試驗(yàn)壓力下，水室較大應(yīng)力出現(xiàn)位置與設(shè)計(jì)壓力時(shí)基本相同，水室整體并沒有較大面積的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)。水室內(nèi)排加強(qiáng)管倒數(shù)第一根、第二根所承受拉力較大，最大應(yīng)力為253.5MPa，同樣已經(jīng)超過加強(qiáng)管材料SA-106的屈服極限240MPa。為防止加強(qiáng)管整體屈服應(yīng)考慮進(jìn)行加強(qiáng)。

同時(shí)，在0.65MPa試驗(yàn)壓力下，水室最大變形出現(xiàn)在內(nèi)排加強(qiáng)管倒數(shù)第二根，變形為10.02mm。殼體最大變形發(fā)生在側(cè)板中下部，最大變形為6.74mm，水室殼體變形較小不會(huì)對(duì)整體剛度造成大的影響，但由于加強(qiáng)管應(yīng)力屈服引起的過大變形，需要對(duì)其進(jìn)行重新加強(qiáng)。

2.3 改進(jìn)方案

水室內(nèi)部加強(qiáng)管并不是每根都承受著很大的側(cè)板受壓擴(kuò)張所帶來的拉力，只有臨近連通管管口的4根加強(qiáng)管受力較大，尤以內(nèi)排加強(qiáng)管最下面的兩根為最大。可以采用去除外排（靠近法蘭側(cè)）加強(qiáng)管，內(nèi)排只保留連通管管口附近的4個(gè)加強(qiáng)管的改進(jìn)方案。

同時(shí)，水室內(nèi)排加強(qiáng)管倒數(shù)第一、第二以及第三根的應(yīng)力都已經(jīng)達(dá)到其材料的屈服極限，其原因主要是由于加強(qiáng)管外徑較?。ń孛鎽T性矩較小）導(dǎo)致剛性不足所引起的。因此我們將加強(qiáng)管改為相同直徑的加強(qiáng)桿來對(duì)側(cè)板進(jìn)行加強(qiáng)。

3 結(jié)語

通過ABAQUS計(jì)算得到了水室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布情況，結(jié)果表明：水室主殼體在0.5MPa設(shè)計(jì)壓力和0.65MPa水壓試驗(yàn)壓力下的結(jié)構(gòu)均能夠滿足強(qiáng)度要求；水室內(nèi)部加強(qiáng)管結(jié)構(gòu)不足以承受側(cè)板拉力，應(yīng)力達(dá)到屈服，可能會(huì)對(duì)水室結(jié)構(gòu)安全造成影響?？梢钥紤]以水室連通管臨近4根加強(qiáng)桿（或與其截面積相等的加強(qiáng)管）結(jié)構(gòu)替代原設(shè)計(jì)中的兩排各6根加強(qiáng)管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。

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