基于ANSYS的高壓加熱器應力應變分析

李小汝，黃 娟，覃才友

（四川工程職業技術學校 機電工程系，德陽 618000）

0 引言

高壓給水加熱器（高加）是核電和火電提高熱經濟性的重要鋪機。由于高加承受的汽水參數較高，工作環境惡劣，因此高加的設計、材質、制造、檢修和運行都提出了很高要求，一旦發生故障停運，將會影響電廠安全經濟發電，甚至造成設備和人員傷亡。高加作為一種大型的高壓高溫的換熱設備，其設計制造存在一定的技術難度，所以大多數從國外引進相關技術，甚至材料和零部件等也是從國外購入，大多數的技術數據和指標來源于國外，缺乏對我國具體情況的驗證性分析和實驗[1,2]。

隨著高壓加熱器向著大型化、高參數、復雜化方面發展，常規的靠經驗公式設計壓力容器零部件的方法受到了限制[3]，使用有限元方法進行壓力容器的設計和分析已經越來越普遍。許建民，王曉清[4]等人模擬了波節管換熱器的應力分布情況，并與試驗進行驗證分析。楊宏悅，蔡紀寧[5]對某大型固定管板換熱器管板進行了溫度場和熱應力場的數值模擬，并提出了溫度場和熱應力場迭代計算的必要性。為簡化帶膨脹節固定管板換熱器的有限元計算，周林探討了簡化膨脹節的計算方法，其計算結果與全模型相差約2.6%，表明了其簡化模型的可行性[6]。馬永其VC++語言構建了固定管板式換熱器的有限元應力分析系統框架，為換熱器的開發設計人員提供了有力工具[7]。文獻大多數都只涉及應力分析，對大型高壓加熱器的應變分析較少。本文以日本三菱生產的JG1420高壓加熱器為對象，分析高壓加熱器在3種不同工況下的應力應變，以期為高壓加熱器的設計和開發人員提供指導意見和參考價值。

1 高壓加熱器有限元模型的建立

本文研究的JG1420高壓加熱器屬于三段式U型換熱設備，如圖1所示。

圖1 高壓加熱器模型

其基本運行參數如表1所示。

表1 高壓加熱器的運行參數

由于模型很大，需要對模型做適當的簡化處理。由于整個前后對稱，分析時取模型的一半計算，在殼程側，根據邊緣效應[7]，外伸長度取為500mm。根據GB151將管板上的孔和換熱管簡化掉，等效為均質各向同性實心板，根據GB151和部標JG4732，確定管板的剛度和強度削弱系數，等效后的管板泊松比ν*=0.3，剛度削弱系數λ=0.45，強度削弱系數β=0.4。利用ANSYS的APDL直接建立高壓加熱器的三維簡化模型，并用SOLID87劃分網格，其模型如圖2所示。

圖2 高壓加熱器的有限元模

2 高壓加熱器的應力應變分析

該高壓加熱器殼程材料為SA516M-Gr485，管板材料為SA266-C2，表2列出了兩種材料在不同溫度下的屈服極。

表2 管板和殼程材料屈服極限

由于高壓加熱器在運行過程中，壓力載荷和溫度載荷可能同時作用或者單獨作用，因此，本文分別分析了溫度，壓力和溫度壓力耦合作用下高壓加熱器的應力應變情況。

2.1 溫度作用下的應力應變

為了獲得高壓加熱器的熱應力及應變，需要對高壓加熱器進行溫度場的模擬，再將溫度場作為結構分析的載荷施加到模型中，施加相應的約束條件即可，分析結果如圖3所示。

圖3 只有溫度作用下的應力分布

圖4 只有溫度作用下的應變分布

從圖3中可以看出，熱應力主要集中在管板和殼體的連接處，最大熱應力是242MPa，主要原因是管板和殼體連接處的不連續以及此處的溫度梯度較大，殼體和管板的線性膨脹率不同導致的。實際工程中，高壓加熱器發生故障最多的地方也是管板和殼體連接的地方，經常因為應力過大，塑形變形失效后發生泄漏的事故。從圖4中的應變圖中可以看出，應變的主要區域位于管板和殼體連接處，在殼側隔板上半部分應變明顯大于下半部分，最大應變發生在殼側隔板的上半部分區域，最大應變值是2.91×10-2。

2.2 壓力作用下的應力應變

施加對應的約束和邊界條件后得到的應力云圖如圖5所示，從應力云圖看出，最大應力為313MPa，發生在疏水出口的尖角出，這里實際上是由于模型幾何形狀導致的，從整體來看，在過渡圓弧出的應力都比較大。殼側與管板相連接處，倒角過渡圓弧地方應力達到215MPa。

圖5 只有壓力作用下的應力分布

從圖6中可以看出最大的應變發生在管板管程側的過度圓弧處，最大應變值為1.12×10-2，應變的主要區域在過渡圓弧處，在過渡圓弧處的應變分布比較均勻，并且管板的應變明顯高于封頭和管殼。

圖6 只有壓力作用下的應變分布

2.3 溫度和壓力耦合作用下的應力應變

圖7 耦合作用下的應力分布

在溫度和壓力耦合作用下的分析中，結合只有壓力和只有溫度情況下的約束和邊界條件，即可得到耦合作用下的應力場。其應力分布云圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，溫度和壓力共同作用下，其應力分布和單獨熱應力作用下的分布情況大致相同，溫度熱應力的影響不容忽視。對于管板，在管板圓心處相對其他要稍大，而球形封頭應力主要集中在相慣的幾個過渡圓弧處，平均都達到了200MP。

圖8 耦合作用下的應力分布

從圖8可以看出，應變的分布區域和應力分布區域有些不一樣，最大的應變在殼體和管板連接處，其最大應變值為1.96×10-2，最大應變值小于只有熱載荷作用下的應變，這說明耦合作用下并沒有導致應變的繼續增加，反而舒緩了應變。應變的分布規律和熱應力分布規律大致相同。封頭和管板接觸的地方應變明顯小于只有熱載荷的情況，這種差異是由于熱應力和壓力耦合作用的結果。

根據上面的應力分布圖，選取以下幾個路徑觀測其應力隨著路徑的變化情況。

PATH1：管板和殼體接觸的倒角圓弧圓周方向。

PATH2：管板厚度方向，由管側指向殼側。

圖9 PATH1上的Von Mises Stress和Stress Intensity

從圖9中看出，在路徑1上，在靠近管板的殼體厚度方向，由于連接處的過渡圓弧的影響，應力出現幾個小的峰值，最大的Von Mises Stress應力是155.3376MPa，最大Stress Intensity應力為162.5181MPa。

圖10 PATH2上的Von Mises Stress和Stress Intensity

從圖10中看出，在路徑2上在管板的兩側應力稍大，最大的應力發生在殼側，最大Von Mises Stress為73.53MPa，最大Stress Intensity為81.95826MPa，沒有發生塑形變形。可以看出Stress Intensity曲線和Von Mises Stress變化規律相同，但是Stress Intensity比Von Mises Stress曲線高，所以用第三強度理論對高壓加熱器進行校核是偏于安全的。

3 結論

本文通過ANSYS軟件模擬了JG1420高壓加熱器在只有溫度、只有壓力和溫度壓力耦合作用三種情況的應力應變，得到如下三個結論。

1）不同載荷對高壓加熱器的作用下，其應力應變分布大致上相似，危險的區域主要在管板和殼體接觸的區域和管板的過度圓弧處，實踐證明，這些地方也是高壓加熱器最容易產生裂紋而導致泄漏的地方。

2）只有熱應力下最大的應變和壓力與熱應力耦合作用下發生的位置大致是相同的，但是并不是耦合作用下應變最大，相反是耦合作用下應變減小了48%，這主要是在耦合作用下，熱應力是二次應力，使得應力重新分布，并且協調了變形。

3）熱應力和壓力耦合作用下不是最危險的工況。比如在管板和殼體接觸的區域只有熱應力下的平均應力和溫度壓力耦合作用下相當，平均為230MPa左右。熱應力在結構不連續處危害起到了主導作用，對結構連續處熱應力的二次應力效果使得變形得到緩和。

[1]鄭津洋.我國承壓設備學的研究現狀和優化研究領域[J].石油機械,2005,33(3):21-25.

[2]薛明德,黃克智,等.中國管板設計方法的研究進展[J].壓力容器,1991,8(5):73-79.

[3]支浩,湯惠萍.換熱器的研究發展[J].化工進展,2009,28(增刊):338-342.

[4]許建民,王曉清,等.波節管換熱器管板應力分析[J].石油化工設計,2006,24(1):28-30.

[5]楊宏悅,蔡紀寧,等.大型固定管板式換熱器管板穩態溫度場及熱應力場分析[J].化工設備與管道,2006,43(1):11-15.

[6]周林,張小平.含膨脹節固定管板換熱器管板的簡化計算探討[J].煉油技術與化工,40(12):33-36.

[7]馬永其.面向對象的固定管板式換熱器有限元應力分析系統[J].計算機與應用化學,2001,18(1):48-51。

[8]GB151-1999.鋼制管殼式換熱器[S].