基于譜分析的高壓加熱器地腳螺栓校核

石乾宇，陳建龍，王志堅

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

基于譜分析的高壓加熱器地腳螺栓校核

石乾宇，陳建龍，王志堅

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

基于給定設備樓層的反應譜，采用有限元方法對某高壓加熱器進行了譜分析，計算固定支座底端的水平支反力和傾覆力矩，并對地腳螺栓的強度進行校核，為高壓加熱器及其它臥式容器地腳螺栓的強度設計提供的參考。

高壓加熱器；譜分析；螺栓；強度；校核；有限元；設計；分析

0　概述

高壓加熱器是核電和火電回熱系統中的重要設備，可提高機組的熱效率。對高壓加熱器地腳螺栓的強度校核，一般參照NB/T47042—2014《臥式容器》標準［1］，對處于較高樓層或核電廠等重要場合的高壓加熱器而言，在進行抗震設計時，其地腳螺栓的計算校核，僅采用《臥式容器》標準已不太合適。

目前，國內外的抗震計算，通常采用三種方法，等效靜力法、譜分析法和時程分析法。對于比較重要的設備，譜分析是抗震計算中一個較好的選擇。譜分析在精確度上優于等效靜力法，在計算成本上又遠低于時程分析法。現根據給定的樓層反應譜，對某型高壓加熱器進行了譜分析，通過提取固定支座底端的水平支反力和傾覆力矩，校核了地腳螺栓的強度。

1　基本設計參數及模型簡化

1.1 基本設計參數

地震時，設備產生的地震響應與設備質量有很大關系。設備在運行中質量最大，地震響應值也最大。所以，在地震作用下的高壓加熱器分析應按照操作狀態進行［2］。該高壓加熱器的基本設計參數，如表1所示。

1.2 模型簡化

由于高壓加熱器這一類的設備結構比較復雜，而反應譜分析一般應建立設備的全模型，考慮到計算的順利完成，需對模型進行簡化。

表1　高加基本設計參數

（1）將管系及換熱管內水的質量，以增加密度的方式等效到殼體，殼體內水的質量，等效成質量點，并與殼體內壁水位線以下部分的質量連接。

（2）忽略質量較小的接管。

（3）管板開孔區按等效管板處理［3］。

（4）設備滑動支座的滑輪與地面間的摩擦作用很小，故計算時不予考慮。

（5）取阻尼比為0.02樓層反應譜。

2　譜分析計算

數值計算采用Ansys Workbench15.0大型通用有限元軟件。有限元模型選用實體單元Solid186，模型共有349876個節點。建立的有限元模型，如圖1所示。

圖1　有限元模型

2.1 模態分析

譜分析是基于各階模態響應疊加求取總響應的方法，即首先進行模態分析，求出各階模態頻率及各階振型參與系數，根據模態頻率，從地震譜中選擇對應的地震加速度，計算在該階頻率下對地震加速度的響應，依據各階振型對某項反應的貢獻程度進行線性疊加，得到這項反應的最大值，按照一定的合成方法（如SRSS或CQC）及一定的合成順序對響應進行合成［4］。因此，在譜分析前，首先應進行模態分析。

在固定支座底面施加全約束，在滑動支座底面限制其X和Y方向位移。為得到較準確的譜分析結果，模態分析提取的最高階次的頻率值應大于樓層反應譜最大頻率［5］。由于給定的樓層反應譜頻率最大值為33 Hz，所以，文中提取前12階模態結果。前12價的模態頻率，如表2所示。提取的前四階模態振型，如圖2所示。

圖2　提取的前四階模態振型

表2　前12階模態頻率

2.2 譜分析

完成模態分析后，利用多點譜分析（MPRS）方法，在模型固定支座和滑動支座底面，分別施加阻尼比為0.02的樓層反應譜，如圖3所示。模態組合采用完全平方組合法（CQC）［6］。

圖3　樓層反應譜

譜分析后，高壓加熱器的應力分布云圖，如圖4所示。由于樓層反應譜峰值對應的頻率在1Hz～2Hz，而高壓加熱器的一階頻率就達14.3Hz，實際對應高壓加熱器低頻段的樓層反應譜值很低，所以，總體的應力值較低。

2.3 地腳螺栓校核

在譜分析結果中，提取固定支座的水平支反力和傾覆力矩為：

水平支反力E=48 365 N

傾覆力矩M=136 330 N·m

固定支座地腳螺栓應力校核［1］：

圖4　譜分析應力分布云圖

剪應力：

拉應力：

其中n′—承受剪應力地腳螺栓個數，4個；

n—承受拉應力地腳螺栓個數，2個；

k0—載荷組合系數，1.2；

A—每個螺栓橫截面積，314.16 mm2；

［σ］bt—地腳螺栓許用應力，147 MPa；

l—筒體軸線兩側螺栓間距，1720 mm。

3　結語

采用譜分析，對高壓加熱器進行了抗震計算，可較為精確地得到其在地震載荷作用下的響應，為高壓加熱器乃至臥式容器地腳螺栓的強度校核提供參考。因譜分析只適用于線性計算，所以在計算時，將換熱管與隔板間的接觸、管系與殼體間的接觸以及液體晃動等非線性因素進行了簡化，若考慮這些因素，必須采用計算成本更高的時程分析法。

［1］NB/T47042—2014.臥式容器［S］.

［2］陳志偉，楊國義，君立軍.大型塔器地震時程響應分析［J］.壓力容器，2013，30（3）：32-33.

［3］GB/T 151-2014，熱交換器［S］.

［4］劉敏，陸智勇.等效靜力法及響應譜法在管道抗震中的應用［J］.化工設備與管道，2012，49（4）：55-56.

［5］ANSYS，Inc.，ANSYS Mechanical User's Guide for Release15. 0.ANSYS，Inc.，2013.

［6］GB 50267-1997.核電廠抗震設計規范［S］.

Check of Anchor Bolt for HP Heater Based on Spectrum Analysis

SHI Qian-yu，CHEN Jian-long，WANG Zhi-jian
（Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

The seismic response spectral analysis of the HP heater with FEA has been carried out based on the given floor response spectrum.Horizontal reaction force and overturning moment of the fixed saddle have been calculated and the stress of anchor bolt has been checked，which provide reference for anchor bolt stress design of HP heater and other horizontal vessels.

HP heater；spectral analysis；bolt；strength；check；finite element；design；analysis

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0012-03

2015-10-21

石乾宇（1987-），男，工程師，碩士，畢業于東北大學機械工程與自動化學院，從事電站輔機和壓力容器的設計和研發工作。