旋風(fēng)分離器蒸汽進口的分析計算

張焱，金東杰，馬斕擎，郭云龍，金剛

（中核能源科技有限公司， 北京 100193）

高溫氣冷堆示范工程（HTR-PM）廢液處理系統(tǒng)作為核電站的重要組成部分之一，用于分類收集、貯存、處理和排放核電站在正常工況和預(yù)期運行事件下產(chǎn)生的放射性液體。旋風(fēng)分離器是廢液處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于高溫氣冷堆放射性廢液蒸汽的凈化。旋風(fēng)分離器靠氣體切向引入造成旋轉(zhuǎn)運動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。根據(jù)這一原理，旋風(fēng)分離器的蒸汽進口采用切向方形進口，連接一段天圓地方結(jié)構(gòu)，最后由一段接管連接管法蘭。本文即對旋風(fēng)分離器的蒸汽進口進行了分析計算。

1 設(shè)計參數(shù)

表1 旋風(fēng)分離器參數(shù)表

注：1.風(fēng)載荷、地震載荷、重力載荷及設(shè)備內(nèi)液柱靜壓頭（氣體，無靜壓頭）產(chǎn)生的應(yīng)力與設(shè)備內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力相比較小，對設(shè)備影響很小，因此不考慮風(fēng)載荷、地震載荷、重力載荷及設(shè)備內(nèi)液柱靜壓頭的影響。2.在正常操作情況下，容器設(shè)置了有效的保溫，內(nèi)外壁溫差小，溫度梯度很小，溫差應(yīng)力對本設(shè)備強度影響較小，故忽略熱載荷相關(guān)計算。3.在計算包括二次應(yīng)力強度的組合應(yīng)力強度時，應(yīng)選用工作載荷進行計算。本報告中選用設(shè)計載荷進行強度分析結(jié)果是偏安全的。

表2 材料性能參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)形式

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式

3 結(jié)構(gòu)特殊性分析

根據(jù)旋風(fēng)分離器工作原理，其蒸汽進口采用切向方形進口，矩形接管連接一段天圓地方結(jié)構(gòu)，然后接一段圓形接管，再連接管法蘭，如圖1。常規(guī)計算無法對切向方形開孔補強和天圓地方結(jié)構(gòu)進行強度計算。GB/150中關(guān)于開孔和開孔補強給出了等面積法和分析法。等面積法適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0[1]。分析法適用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補強設(shè)計[1]。旋風(fēng)分離器蒸汽進口開孔形式是方孔，不符合GB/150中等面積法和分析法的開孔要求；而且方孔的長徑與短徑之比大于2；且分析法不支持非徑向開孔。這些表明，旋風(fēng)分離器的開孔補強不符合常規(guī)設(shè)計計算方法。GB/150.3附錄A對于非圓形截面容器給出了設(shè)計計算方法，計算公式適用于容器縱橫比大于4的情況。對于縱橫比小于4的容器，仍可用本附錄的公式進行計算，但結(jié)果將偏于保守[1]。分離器蒸汽進口方管可以看作無加強對稱矩形截面容器，根據(jù)GB/150附錄A進行計算。但因為蒸汽進口方管縱橫比小于4，結(jié)果會偏保守。天圓地方結(jié)構(gòu)是一種方圓變徑的特殊結(jié)構(gòu)，其兩端端面分別是圓形與方形。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在進行結(jié)構(gòu)強度計算時，GB/150無相關(guān)計算模型和計算方法。因此需要采用有限元法對其進行分析計算。

4 分析計算

4.1 用有限元法對分離器蒸汽進口進行分析

4.1.1 有限元分析模型

以設(shè)備軸線為Y軸，建立直角坐標系。根據(jù)該分離器結(jié)構(gòu)特點及分析部位，僅考慮蒸汽進口及所在部分筒體（長度取管口兩側(cè)各400mm，遠大于邊緣應(yīng)力衰減長度）。建立設(shè)備的有限元模型如圖2所示。為獲取準確的應(yīng)力分布情況，模型為包含筒體、方孔、天圓地方和圓形接管的三維實體模型。為方便建模和求解，對有限元模型進行了簡化處理：（1）忽略方孔與天圓地方處焊縫、結(jié)構(gòu)和流體自身重力等對應(yīng)力分布的影響。（2）假設(shè)各處焊縫材料與母體材料相同。結(jié)構(gòu)分析采用20節(jié)點六面體等參單元——SOLID186進行網(wǎng)格劃分。

圖2 模型與網(wǎng)格

4.1.2 載荷及邊界條件

計算載荷作用下的受力情況，在設(shè)備的內(nèi)壁施加內(nèi)壓載荷，在圓形接管的外端面上施加等效平衡面載荷。為防止模型剛體位移，選取筒體上端作為約束平面，對上端面軸向和周向進行約束，對筒體下端施加對稱約束，如圖3所示。

圖3 載荷及邊界條件

4.1.3 應(yīng)力計算

分離器蒸汽進口應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可以看出，由于在方管壁板和筒體壁板的結(jié)合位置發(fā)生了形狀突變，應(yīng)力水平也偏大。特別是方管角點與筒體結(jié)合處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由有限元計算結(jié)果表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)在方形接管長邊與筒體非切向連接處的角點外表面，其值為221.45MPa。

圖4 應(yīng)力分布

為進一步研究其應(yīng)力分布，對各關(guān)鍵部位進行應(yīng)力線性化。應(yīng)力線性化路徑的選擇原則為：（1）通過應(yīng)力強度最大節(jié)點，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；（2）對于相對高應(yīng)力強度區(qū)，沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；（3）對于形狀突變處，沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑。

分別對不同結(jié)構(gòu)位置進行分析，設(shè)定路徑：

（a）根據(jù)應(yīng)力分布圖中在開孔補強區(qū)應(yīng)力強度最大點的位置，選取路徑A，見圖5。

圖5 應(yīng)力線性化PathA

（b）選擇方形接管長邊中點位置、短邊中點位置及角點位置作為研究對象，分別選取路徑J、K、L、O，見圖6～圖9。

圖6 應(yīng)力線性化PathJ

圖7 應(yīng)力線性化PathK

圖8 應(yīng)力線性化PathL

圖9 應(yīng)力線性化PathO

（c）天圓地方接管與圓形接管連接處為不連續(xù)區(qū)，分別選取路徑R、S，見圖10、圖11。

圖10 應(yīng)力線性化PathR

圖11 應(yīng)力線性化PathS

4.1.4 應(yīng)力評定結(jié)果與分析

分別對開孔補強結(jié)構(gòu)、方孔結(jié)構(gòu)和天圓地方結(jié)構(gòu)進行線性化處理，結(jié)果如下：

表3 開孔補強結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點處路徑應(yīng)力強度評定表

表4 方孔結(jié)構(gòu)各路徑應(yīng)力強度評定表

表5 天圓地方結(jié)構(gòu)各路徑應(yīng)力強度評定表

按應(yīng)力的性質(zhì)、影響范圍及分布狀況將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。將薄膜應(yīng)力歸為Pm或Pl、彎曲應(yīng)力歸結(jié)為Pb，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)或形狀突變部位，彎曲應(yīng)力存在很大二次應(yīng)力成分，故此部位薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力歸為一次+二次應(yīng)力。

5 結(jié)論

對分離器蒸汽進口偏心方孔的開孔補強結(jié)構(gòu)、方孔結(jié)構(gòu)、天圓地方結(jié)構(gòu)采用有限元法進行分析計算，對應(yīng)力最大點、相對高應(yīng)力區(qū)以及形狀突變處等位置進行應(yīng)力線性化，結(jié)果表明，該分離器筒體和方形接管以及天圓地方結(jié)構(gòu)在所給出厚度下的應(yīng)力水平較低，滿足強度要求。

◆參考文獻

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[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會. 壓力容器設(shè)計工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.