核電廠汽輪機(jī)高頻感應(yīng)加熱螺栓數(shù)值模擬研究

周靄琳，葉 凱，朱凱亮，劉 斌，于群利

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

國(guó)內(nèi)某核電廠汽輪機(jī)組包括1臺(tái)高壓缸和2臺(tái)低壓缸，高壓缸缸體是焊接而成，分為上、下缸體兩部分；低壓缸缸體為內(nèi)、外裝配型結(jié)構(gòu)，也分為上、下缸體兩部分；高、低壓缸的上、下汽缸法蘭由螺栓連接，相互之間接觸面大，需要足夠的嚴(yán)密性才能保證較高的熱效率和安全可靠性。為確保氣缸中分面帶負(fù)荷受熱狀態(tài)下的嚴(yán)密性，每顆螺栓緊固力較大。緊固螺栓長(zhǎng)期工作在340℃以上的高溫高壓條件下，同時(shí)還受啟停機(jī)、變負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響，導(dǎo)致螺栓螺紋咬死的行業(yè)問(wèn)題難以解決[1]。該電廠采用高頻感應(yīng)加熱方式：利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱的材料內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的[2]，從而緊固螺栓。因此用有限元分析法和熱固耦合分析功能，研究高頻感應(yīng)加熱螺栓的溫度分布和應(yīng)力變化規(guī)律[3]，以理論數(shù)據(jù)為依據(jù)指導(dǎo)實(shí)際工作，以期對(duì)高頻感應(yīng)加熱器的參數(shù)優(yōu)化和規(guī)范制定提供理論支持和參考。

1 螺栓模型介紹

該電廠汽輪機(jī)高壓缸中分面部分螺栓尺寸短、體型大，在加熱時(shí)由于熱傳導(dǎo)使螺帽和缸體同時(shí)升溫，難以拆解，因此選取有代表性的5英寸（12.7 cm）耐熱鋼SNB16的栽絲螺栓進(jìn)行三維有限元建模，螺栓的基本信息、力學(xué)性能和物理性能見(jiàn)表1、表2。

表1 5英寸-8UN栽絲螺栓信息

表2 5英寸-8UN栽絲螺栓力學(xué)和物理性能

2 三維建模

對(duì)5英寸耐熱鋼SNB16的栽絲螺栓的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立熱緊螺栓的理論簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。加熱功率參照實(shí)際檢修工況：加熱棒輸入功率為20 kW，實(shí)際檢修時(shí)加熱約13 min能達(dá)到額定伸長(zhǎng)量1.2 mm，由于無(wú)法測(cè)量螺栓內(nèi)外表面溫度，只能測(cè)得螺母外壁溫度約38℃，相鄰缸體溫度33℃。本文采用單向間接耦合分析，螺栓和感應(yīng)加熱棒均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，整個(gè)有限元模型網(wǎng)格單元總數(shù)為60 717，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為150 878，電磁感應(yīng)加熱中磁單元采用SOLID117，熱單元采用SOLID90，結(jié)構(gòu)單元采用SOLID186，建立高頻感應(yīng)加熱螺栓的三維有限元分析模型，如圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖2 三維有限元模型

3 有限元分析

3.1 磁場(chǎng)分布規(guī)律

根據(jù)加熱參數(shù)可得輸入電流57.90 A，輸入電流密度35.72×106A/m2，由此建立了高頻感應(yīng)加熱螺栓的熱固耦合場(chǎng)分析模型。螺栓內(nèi)表面聚集了大量磁通量，磁場(chǎng)密度從中心向兩側(cè)逐漸減弱，螺栓外部及螺母的磁通量密度很小，最大的實(shí)部磁通量密度為0.187 T。這主要是由于集膚效應(yīng)，螺栓中產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)聚集于螺栓表層即內(nèi)徑表面，而非平均分布于整個(gè)螺栓的截面積中。

3.2 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

感應(yīng)加熱13 min的螺栓溫度場(chǎng)分布如圖3所示。由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)加熱作用于螺栓上時(shí)電渦流主要集中于螺栓的內(nèi)徑附近，內(nèi)徑附近的溫度率先上升。熱量沿徑向傳遞至外徑，進(jìn)而溫度傳遞給螺母和外圍的空氣。因此，各個(gè)時(shí)刻整體的最高溫度均位于螺栓內(nèi)徑中部的位置，加熱13 min時(shí)熱緊螺栓的最高溫度位于螺栓內(nèi)徑的中部，最高為182.6℃，整體溫度場(chǎng)由螺栓內(nèi)徑向外徑分布。隨著加熱時(shí)間的推移，整體溫度逐漸升高，溫度場(chǎng)分布向外側(cè)移動(dòng)，螺栓的軸向溫差逐漸增加。在感應(yīng)加熱過(guò)程中，螺母的溫度變化不大，感應(yīng)加熱對(duì)螺紋的影響較小。

圖3 螺栓的溫度場(chǎng)

感應(yīng)加熱13 min的螺母溫度場(chǎng)分布如圖4所示，可以看出溫度由螺母內(nèi)徑底部向螺母外徑頂部逐漸降低，在加熱到13 min時(shí)最高溫度為39.1℃，位于螺母的內(nèi)徑底部；實(shí)測(cè)螺母外壁溫度38℃，實(shí)際螺母內(nèi)壁溫度應(yīng)更高，這是因?yàn)槁菟▽?duì)整個(gè)缸體有熱傳導(dǎo)，才導(dǎo)致螺帽實(shí)測(cè)溫度比計(jì)算值高，仍能滿足工程中技術(shù)規(guī)格書要求：加熱中任何時(shí)候靠近被旋緊螺母處外體表溫度不超過(guò)100～120℃。

圖4 螺母的溫度場(chǎng)

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

整體的應(yīng)力場(chǎng)由螺栓內(nèi)徑向外徑分布，隨著感應(yīng)加熱時(shí)間的增加，螺栓外徑處的等效應(yīng)力隨之增加。等效應(yīng)力主要受溫度影響，螺栓內(nèi)徑處的溫度相對(duì)較高，其熱應(yīng)力也相對(duì)較大，螺栓的最大等效應(yīng)力位于內(nèi)徑附近。由于螺母的溫度較低，其相對(duì)等效應(yīng)力比較小，最大等效應(yīng)力位于螺母的底部。感應(yīng)加熱過(guò)程中螺栓最大等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖5：在感應(yīng)加熱的初始階段，螺栓的溫度增長(zhǎng)特別快；在感應(yīng)加熱中后期，螺栓的內(nèi)外徑溫差趨于穩(wěn)定，螺栓的等效應(yīng)力受其影響同樣趨于穩(wěn)定值，約124 MPa。

圖5 螺栓最大等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3.4 螺栓伸長(zhǎng)量分析

結(jié)構(gòu)分析中將已得到的溫度場(chǎng)作為溫度載荷加載到有限元模型中，并在螺栓底部施加軸向位移約束，設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析。各個(gè)時(shí)刻內(nèi)，整體的總位移均大致沿軸向分布，總位移自下而上逐漸增大，最大位移都位于螺母頂部（圖6）。隨著時(shí)間的增加，整體的最大總位移也隨之變大，最終時(shí)刻整體的最大總位移為1.23 mm，比實(shí)際伸長(zhǎng)量1.2 mm大，分析認(rèn)為是由于螺栓對(duì)外熱傳導(dǎo)，螺栓實(shí)際溫度低于計(jì)算值，因此實(shí)際伸長(zhǎng)量低于計(jì)算值，但該偏差約2.5%，在合理范圍內(nèi)。

圖6 加熱13 min后整體總位移

4 總結(jié)

本文對(duì)螺栓在高頻感應(yīng)加熱條件下的磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，得到如下結(jié)論：

（1）螺栓溫度場(chǎng)由內(nèi)向外移動(dòng)，隨加熱時(shí)長(zhǎng)再延軸向擴(kuò)散，最高溫度位于螺栓內(nèi)徑中部約182.6℃，小于材料的最終熱處理溫度，材料不會(huì)出現(xiàn)局部屈服。

（2）螺帽最高溫度位于螺帽內(nèi)徑底部，在感應(yīng)加熱過(guò)程中最高約40℃，滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

（3）感應(yīng)加熱過(guò)程中螺栓應(yīng)力在初始階段增長(zhǎng)較快，應(yīng)力變化趨勢(shì)與溫度趨勢(shì)成正比，最終熱應(yīng)力穩(wěn)定在124 MPa。

（4）螺栓伸長(zhǎng)量延軸自下而上逐漸增加，在螺母處達(dá)到最大值，到加熱13 min時(shí)螺栓能達(dá)到應(yīng)有伸長(zhǎng)量1.23 mm。

通過(guò)有限元分析軟件，對(duì)某核電廠汽輪機(jī)高壓缸中分面螺栓建立三維有限元模型，計(jì)算分析出高頻感應(yīng)加熱過(guò)程中螺栓內(nèi)部溫度分布、應(yīng)力變化和伸長(zhǎng)量規(guī)律，與實(shí)際工況相吻合，驗(yàn)證了有限元分析方法的合理性和正確性，為后續(xù)高頻感應(yīng)加熱器的參數(shù)優(yōu)化和規(guī)范制定提供理論支持和參考。