高壓加熱器球殼接管極限載荷的有限元分析

陳云，張麗娜，李曉東，吳海斌

（1.廣州聲華科技有限公司，廣東廣州510700；2.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南常德415100；3.廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山529228；4.湘潭大學(xué)，湖南湘潭411105）

高壓加熱器球殼接管極限載荷的有限元分析

陳云1，張麗娜2，李曉東3，吳海斌4

（1.廣州聲華科技有限公司，廣東廣州510700；2.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南常德415100；3.廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山529228；4.湘潭大學(xué)，湖南湘潭411105）

利用有限元法，對某電廠一臺高壓加熱器的球殼接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限載荷分析。采用理想彈塑性材料模型，基于小變形假設(shè)，通過彈塑性增量有限元分析，得到了球殼接管結(jié)構(gòu)的塑性極限載荷。最后，根據(jù)JB4732標(biāo)準(zhǔn)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行評定。結(jié)果表明，該球殼接管結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

高壓加熱器；接管；極限載荷分析；有限元法

高壓加熱器是火電工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成設(shè)備，對提高電廠的效率具有重要作用。高壓加熱器作為一種承壓設(shè)備，具有容積大、參數(shù)高的特點[1]，保證加壓加熱器的安全穩(wěn)定運行對于電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行具有十分重大的意義。當(dāng)前，對高壓加熱器筒體及管板應(yīng)力分析的研究較多[2-4]，但對于高壓加熱器球殼接管的強(qiáng)度及應(yīng)力分析研究較少[5]。然而，壓力容器的接管過渡區(qū)域一般為高風(fēng)險區(qū)域，容易萌生微裂紋，若進(jìn)一步擴(kuò)展則易導(dǎo)致泄露及安全事故發(fā)生。

目前，國內(nèi)壓力容器分析設(shè)計通常采用應(yīng)力分類方法，即通過路徑分析，應(yīng)力線性化處理獲得路徑上的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度評定。但此方法存在一些不足，最大的難點在于對某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確的應(yīng)力分類存在一定困難[6-7]。極限載荷分析作為當(dāng)前一種先進(jìn)的壓力容器分析設(shè)計技術(shù)，能避免應(yīng)力分類方法的不足，求取結(jié)構(gòu)的塑性極限載荷，對結(jié)構(gòu)的承載能力做出更為準(zhǔn)確的預(yù)測[8-9]。

本文針對某電廠的一臺高壓加熱器，利用有限元方法，分析該高壓加熱器球殼接管結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下的塑性極限載荷，預(yù)測結(jié)構(gòu)的極限承載能力，為該設(shè)備安全穩(wěn)定運行提供科學(xué)依據(jù)。

1 極限載荷分析基本原理

1.1 基本假設(shè)及相關(guān)概念

極限分析理論，采用理想-彈塑性材料模型，基于小變形假設(shè)。在一次靜載情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體塑性流動時對應(yīng)的狀態(tài)為極限狀態(tài)，相應(yīng)的載荷為極限載荷。經(jīng)典極限分析方法解決了部分簡單結(jié)構(gòu)的極限載荷計算，但對于工程中復(fù)雜的塑性極限問題則難以求解。隨著非線性有限元法的發(fā)展，基于彈塑性有限元分析的極限載荷數(shù)值計算方法得到了充分發(fā)展，并已在工程問題中得到應(yīng)用。

基于彈塑性有限元分析的極限載荷分析，同樣采用理想-彈塑性材料模型和小變形假設(shè)，并且采用Von Mises屈服準(zhǔn)則與關(guān)聯(lián)流動法則。

1.2 彈塑性增量有限元法

非線性問題的結(jié)構(gòu)剛度矩陣不再是常量，如式（1）所示，而是隨著結(jié)構(gòu)位移的改變不斷發(fā)生變化。非線性問題中，引起結(jié)構(gòu)剛度變化的原因，包括材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性。極限分析中，只考慮材料非線性。

求解該非線性方程一般采用增量方法，即將載荷分解成許多載荷增量，每一增量確定一平衡條件，即非線性結(jié)構(gòu)可以用具有修正的線性逼近迭代系列進(jìn)行分析。

1.3 極限載荷判據(jù)

利用彈塑性有限元求解極限載荷時，一個關(guān)鍵的問題是如何判定所施加的載荷達(dá)到了極限載荷。根據(jù)極限分析理論，極限載荷時結(jié)構(gòu)開始發(fā)生無限制總體塑性流動時的載荷。采用彈塑性有限元進(jìn)行分析時，當(dāng)極小的載荷增量也不能得到收斂解時，就認(rèn)為達(dá)到了極限載荷。需要指明的是，進(jìn)入塑性計算階段后，有限元計算的載荷增量或者載荷步長，必須逐步較小，若載荷增量或者載荷步長設(shè)置過大，會直接導(dǎo)致計算發(fā)散，這種稱之為“數(shù)值發(fā)散”，不能將其作為極限狀態(tài)。因此，分析者必須確保分析模型正確，并且嚴(yán)格避免“數(shù)值發(fā)散”情況。

2 球殼接管有限元分析模型

該高壓加熱器采用臥式U型結(jié)構(gòu)，管程設(shè)計壓力為27.5 MPa.球殼接管部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的材料為20MnMo，其屈服強(qiáng)度為370 MPa.

圖1 球殼接管幾何模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點及載荷與約束特性，取該結(jié)構(gòu)的四分之一作為計算用的簡化幾何模型，如圖2所示。選用SOLID185三維實體單元劃分網(wǎng)格，為保證計算結(jié)果的精度，本文采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如圖3所示，其中，節(jié)點數(shù)為21 271，單元數(shù)為15 843.

圖2 球殼接管簡化模型

圖3 球殼接管網(wǎng)格模型

約束及載荷施加情況如圖4所示，在兩個對稱面上施加對稱約束，底面施加軸向約束，所有的內(nèi)表面施加內(nèi)壓力，接管外端面施加軸向平衡力。

圖4 載荷與約束

3 分析結(jié)果及強(qiáng)度評定

采用ANSYS有限元分析軟件，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性有限元分析。

通過幾次試算，施加的內(nèi)壓為46 MPa時，求解收斂，當(dāng)內(nèi)壓增至47 MPa時，求解發(fā)散。因此，根據(jù)上文所述的判據(jù)，得到該結(jié)構(gòu)所能承受的內(nèi)壓極限載荷為46 MPa.

最終子步下該結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布如圖5所示。由圖可見，兩個接管部位均全部進(jìn)入了塑性流動階段，失去了進(jìn)一步的承載能力，若繼續(xù)增大內(nèi)壓，結(jié)構(gòu)將發(fā)生整體塑性垮塌失效。因此，表明該結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下已經(jīng)達(dá)到了塑性極限狀態(tài)。

圖5 最終子步下的Von Mises應(yīng)力云圖

按照IB4732中5.4的要求，對該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評定如表1所示。

表1 強(qiáng)度評定及結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文采用彈塑性有限元方法，對高壓加熱器的球殼接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限分析，得到了該結(jié)構(gòu)的極限載荷，并根據(jù)JB4732進(jìn)行了強(qiáng)度評定，結(jié)果表明，該高壓加熱器的球殼接管結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，在正常設(shè)計內(nèi)壓下，不會發(fā)生塑性垮塌失效。

（2）本文的分析結(jié)果表明，采用極限載荷分析方法對壓力容器進(jìn)行強(qiáng)度分析與設(shè)計，不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的極限承載能力，而且能夠避免應(yīng)力分類方法中的困難。

本文所采用的極限載荷分析方法，是當(dāng)前分析設(shè)計中的先進(jìn)設(shè)計方法之一，已成為當(dāng)前各國壓力容器設(shè)計人員的研究熱點之一，加強(qiáng)該方法的研究與應(yīng)用，有利于提高我國承壓設(shè)備的整體設(shè)計水平。

[1]蔡錫琮.高壓給水加熱器[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]陳杰富，王立強(qiáng).高加應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化[J].東方鍋爐，2007（4）：8-14.

[3]陳冰冰，楊玉宇，鄭三龍，等.復(fù)雜溫度場下高壓加熱器筒體的應(yīng)力模擬分析[J].壓力容器，2007，24（6）：25-29.

[4]劉海亮，于洪杰，徐鴻，等.高壓給水加熱器厚管板的有限元分析（一）——考慮管箱、殼體和換熱管影響的管板有限元實體模型的建立及穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].壓力容器，2004，21（11）：19-22.

[5]顧瓊彥.百萬等級核電機(jī)組高壓加熱器應(yīng)力分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[6]陸明萬，徐鴻.分析設(shè)計中若干重要問題的討論[C]//全國壓力容器學(xué)術(shù)會議壓力容器先進(jìn)技術(shù)精選集.2005.

[7]陸明萬.關(guān)于應(yīng)力分類問題的一些認(rèn)識[J].化工設(shè)備與管道，2005，42（4）：10-15.

[8]梅林濤，陳朝暉，壽比南，等.換向器筒體極限載荷分析[J].化工設(shè)備與管道，2002，39（3）：11-13.

[9]沈鋆.極限載荷分析法在壓力容器分析設(shè)計中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2011，40（4）：35-38.

Limit Load Analysis Based on FEA for Nozzle of High Pressure Heater

CHEN Yun1，ZHANG Li-na2，LI Xiao-dong3，WU Hai-bin4
（1.Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510700，China；2.Hunan Applied Technology University，Changde Hunan 415100，China；3.Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co.，Ltd.，Taishan Guangdong 529228，China；4.Xiangtan University，Xiangtan Hunan 411105，China）

In this paper，limit load analysis method based on FEA is used for a nozzle of a high pressure heater. Limit load of the nozzle is obtained by FEA，based on elastic-perfectly plastic and the assumption of small deformation.Finally，the intensity of the nozzle is checked based on JB4732.The result shows that the nozzle meet the requirement of intensity.

high pressure heater；nozzle；limit load analysis；FEM

TK223.5

A

1672-545X（2017）06-0164-02

2017-03-04

湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目（16C1173、14C0767）

陳云（1989-），男，湖南永州人，助理工程師，本科，主要從事電廠承壓設(shè)備的檢測及CAE分析與強(qiáng)度評定工作；張麗娜（1987-），女，河南鶴壁人，碩士，研究生，主要從事過程裝備仿真及優(yōu)化和節(jié)能與環(huán)保等研究。