蛇形管高壓加熱器集管結構的熱彈性分析

陳寶星，陸毓穎，尹金亮

(1. 國家電投沁陽發電分公司，河南，沁陽，454550；2. 上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090))

0 概 述

發電廠的高壓加熱器(簡稱高加)是利用汽輪機抽汽加熱鍋爐(或蒸汽發生器)給水的裝置。利用高加加熱給水，可提高機組的熱效率，并有助于機組的安全運行。高壓加熱器通常有2種結構型式，即U形管式和蛇形管式[1-2]。

1 高壓加熱器的高壓腔室

U形管式高壓加熱器的高壓腔室由球形封頭、管板、換熱管等部件件組成。高壓加熱器的高壓腔室，如圖1所示。蛇形管式高壓加熱器的高壓腔室由集管(聯箱)、換熱管等部件組成。蛇形管式高壓加熱器的高壓腔室，如圖2所示。當高壓加熱器處于啟動、汽機跳閘或高負荷運行工況時，加熱器將遭受熱應力的沖擊。現利用ANSYS軟件，通過數值模擬的方法，在瞬態熱工況下，對蛇形管集管與普通U形管管板進行應力分析和數值對比。

圖1 U形管式高壓加熱器的高壓腔室

圖2 蛇形管式高壓加熱器的高壓腔室

2 建模與載荷

蛇形管集管與U形管管板均為分布了密集管孔的結構，為研究某處管子管口在瞬態工況下的性能，可建立縱橫若干排管子管口的力學模型。根據圣維南原理，分析力學模型中心處管子管口的應力分布，并認為若干排數的管子管口的應力分布，即可代表周邊結構對目標結構的影響，同時，認為在該范圍以外的結構對目標幾乎沒有影響。因此，選取管子管口的排列模式，為縱橫2～4排，并建立了管子管口的力學模型。

按某工程圖紙，選取蛇形管集管的幾何尺寸。選取U形管管板尺寸時，應與蛇形管集管的選取尺寸相對應，即管板厚度相同、管子管口的尺寸、分布間距均一致。選用的材料與工程實際使用的材料相同，均為ASME標準中的許用材料347 H。除熱瞬態載荷外，在管程均受18.7 MPa的內壓作用，截斷面上有平衡拉力。在結構載荷與溫度載荷同時作用的情況下，分析比較2種結構的熱應力[3-4]。

3 模擬計算

對2種結構施加溫度載荷和結構載荷，初始溫度為100℃，溫升速率為15℃/min，對流系數取1 000 W/m℃，計算時長為60 s。經模擬計算，2種結構在第60秒時的溫度分布情況，圖3所示。2種結構在第60秒時的熱應力分布情況，如圖4所示。在中心處管口連接部位的局部不連續區域，選取了線性化路徑A與B，并分別進行了模擬計算。計算結果，如表1所示。由表1可知，在相同載荷條件下，對于管子管口的一次加二次的應力值，U形管管板的應力比蛇形管集管的應力增大40%，若采用該管子管口的設計尺寸，U形管的一次加二次的應力值，已超過標準中許用應力的3倍，因此，無法滿足工程的要求，還須改進結構設計。

圖3 蛇形管集管和U形管管板在第60 s時的溫度分布

圖4 蛇形管集管和U形管管板的熱應力分布

表1第60s時的熱應力值

結構形式路徑應力類型計算值/MPa限值/MPa蛇形管集管APL+Pb+Q228.283Sm=411BPL+Pb+Q298.913Sm=411U形管管板APL+Pb+Q370.253Sm=411BPL+Pb+Q417.173Sm=411

在表1中：PL為局部薄膜應力；Pb為彎曲應力；Q為二次應力；Sm為材料在實時溫度下的許用應力。

4 熱應力與控制變量法

為了進一步說明產生應力差異是由于蛇形管結構上的優勢，現采用控制變量法，在各種工況參數下，比較蛇形管集管與U形管管板的熱應力大小，控制變量為溫升速率、初始溫度及內壓。

4.1 計算結果

由于平板承載力相比于圓筒對內壓的承載力較弱，為了排除形狀屬性上差異的影響，所以，取消了結構載荷中的內壓和平衡拉力，重新進行了分析，仍取相同的路徑，再次計算的結果，如表2所示。對比表1及表2的計算結果，在沒有內壓的情況下，蛇形管集管和U形管管板結構的熱應力的差值，大于有內壓的情況。根據載荷分布可知，U形管管板本身并未被直接施加內壓，載荷是施加于管子的內壁。

表2無內壓時的熱應力值

結構形式路徑應力類型計算值/MPa限值/MPa蛇形管集管APL+Pb+Q181.763Sm′=351BPL+Pb+Q189.943Sm′=351U形管管板APL+Pb+Q370.943Sm′=351BPL+Pb+Q448.453Sm′=351

4.2 控制溫升速率

為研究在不同溫升速度條件下，蛇形管集管相較U形管管板的結構優勢，分別在溫升速率為15℃/min、30℃/min、45℃/min、60℃/min的情況下，分析了蛇形管集管及U形管管板的熱應力分布情況。線性化路徑仍取在管子管口的局部位置，其它載荷保持不變。經計算，并將計算結果(60 s)進行對比，繪制成的折線圖，如圖5所示。由圖5可知，隨著溫升速率的提升，熱應力值有上升的趨勢，但蛇形管集管的應力仍比U形管管板的應力低很多，蛇形管集管在結構上有著明顯的優勢。

4.3 設定初始溫度

為了研究在高溫工況下，蛇形管集管和U形管管板的結構性能，將初始溫度定為300℃，溫升速率設為15℃/min，分析2種結構的熱應力分布情況。仍取同樣的2條線性化路徑，計算得到2種結構一次加二次應力的比值，并與100℃時的應力值進行對比，如表3所示。對比結果顯示，在高溫工況下，蛇形管集管的性能仍優于U形管管板，且差異值更甚于低溫狀態之時。

5 結 語

圖5 2條路徑下熱應力值隨溫升速率的變化

表3高溫下的熱應力值

應力類型比值路徑300℃100℃σ=PL+Pb+QσU形管管板σ蛇形管集管A2.01411.6219B1.99301.3956

利用CAE軟件進行計算，以彈性力學、塑性力學理論為依據，采用有限單元法進行數值分析，并依據圣維南原理簡化力學模型，計算了蛇形管高壓加熱器集管上任一管子管口局部結構在瞬態熱載荷與結構載荷的作用下的應力值，并與同尺寸U形管管板上的管子管口進行了對比，驗證了蛇形管集管結構具有更佳的瞬態熱性能。

通過改變溫升速率、初始溫度及結構載荷，計算了2種結構的熱應力值，可發現溫升速率越高，2種結構應力值的差異越大。當初始溫度升高，2種結構應力值的差異增大，而蛇形管集管應力值隨溫度升高的提升幅度較小。若改變結構載荷，2種結構應力值的差異猶存。