熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

宋宏偉　戴鈺冰　張劍巍　劉辰龍　宋良軍　牛夢雨　熊偉

摘 要：闡述了熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的與重要性。對(duì)熱交換器總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。建立了熱交換器應(yīng)力分析模型，在不同工況下對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱應(yīng)力分析，依據(jù)RCCM對(duì)熱交換器進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。分析結(jié)果表明熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：熱交換器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)力分析;強(qiáng)度評(píng)定

1 引言

熱交換器是某熱回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，某熱回路主冷系統(tǒng)中并聯(lián)設(shè)置了三臺(tái)熱交換器，用于冷卻一次水，將回路核心部位所產(chǎn)生的熱量帶出，并通過熱交換器傳遞給二次冷卻水，維持回路核心部位要求的進(jìn)出口溫度。

為滿足回路對(duì)熱交換器的要求，本文利用對(duì)熱交換器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)RCCM對(duì)熱交換器進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定[1-3]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱交換器結(jié)構(gòu)型式為再生式列管-套管型，熱交換器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由8段列管段、10段套管段、 支座、設(shè)備本體與支座連接組件、 連接管和接管組成。再生段為列管型結(jié)構(gòu)，由8段列管式換熱段串聯(lián)而成，冷卻段為套管型結(jié)構(gòu)，由10段套管式換熱段串聯(lián)而成，換熱器一次側(cè)設(shè)計(jì)溫度均為350℃，二次側(cè)設(shè)計(jì)溫度均為100℃，一次側(cè)設(shè)計(jì)壓力為17.2MPa，二次側(cè)設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa。熱交換器工質(zhì)流程圖如圖2所示，熱回路中的一次水流經(jīng)再生段管程后進(jìn)入冷卻段內(nèi)管，將熱量傳遞給冷卻段套管層的二次冷卻水，然后進(jìn)入再生段的殼程復(fù)熱，同時(shí)對(duì)再生段管程中的一次水進(jìn)行冷卻。

3 載荷、工況和準(zhǔn)則

3.1 工況

3.1.1 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度，自重，熱膨脹，靜液壓力。

3.1.2 正常工況

操作壓力，操作溫度，自重，液體擾動(dòng)，熱膨脹。

3.1.3 異常工況

此工況下的最大壓力，此工況下的最高溫度，自重，液體擾動(dòng)，熱膨脹。

3.1.4 事故工況

此工況下的最大壓力，此工況下的最高溫度，自重，液體擾動(dòng)，熱膨脹。

3.1.5 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況下的壓力和溫度。

3.2 應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

依據(jù)RCCM的規(guī)定，對(duì)于上述每一種工況都應(yīng)滿足各種載荷工況下的最低準(zhǔn)則級(jí)別，熱交換器的所承受的最高循環(huán)載荷小于基準(zhǔn)循環(huán)數(shù)，則在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，每種工況下的應(yīng)力限值應(yīng)符SC-2級(jí)設(shè)備的第2組規(guī)則。上述工況對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則級(jí)別及應(yīng)力限值如表所示。

4 計(jì)算模型

熱交換器各部件計(jì)算模型的校核厚度取名義厚度減去腐蝕余量，選取熱交換器本體和支架為研究對(duì)象，熱交換器一二次側(cè)的液體引起的慣性力通過附加質(zhì)量將其等效轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的殼體上。熱交換器本體通過螺栓螺母方式固定在支架上，計(jì)算時(shí)將熱交換器本體與支架的連接處理為剛性連接。熱交換器本體（拉桿采用粱單元）主要采用殼單元進(jìn)行離散，模型劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為111502個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為109856個(gè)，熱交換器計(jì)算模型見圖3。

5 計(jì)算結(jié)果及討論

5.1 設(shè)計(jì)工況下靜力學(xué)分析結(jié)果

圖4分別為熱交換器設(shè)計(jì)工況下在設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、液體和重力聯(lián)合作用下的應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果，從圖4可以看出，熱交換器最大應(yīng)力強(qiáng)度為190MPa，其位置產(chǎn)生在支架底部方鋼和角鋼連接處。

5.2 試驗(yàn)工況下靜力學(xué)分析結(jié)果

圖5分別為熱交換器試驗(yàn)工況下在試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)溫度、液體和重力聯(lián)合作用下的應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果。從圖5可以看出，熱交換器試驗(yàn)工況下最大應(yīng)力強(qiáng)度為250MPa，其位置產(chǎn)生在支架底部方鋼和角鋼連接處。

6 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

6.1 設(shè)計(jì)工況

將熱交換器在設(shè)計(jì)工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果與在運(yùn)行基準(zhǔn)地震作用下的結(jié)果進(jìn)行組合，圖6為熱交換器在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度，從圖中可以看出，組合后的最大應(yīng)力強(qiáng)度相對(duì)于靜力學(xué)分析結(jié)果稍有增加，為194MPa，其位置位于支架底部。依據(jù)薄膜理論并結(jié)合熱交換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將熱交換器再生段筒體、冷卻段筒體中部和冷卻段換熱管的薄膜應(yīng)力處理成總體薄膜應(yīng)力，其余位置的薄膜應(yīng)力均處理為局部薄膜應(yīng)力，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果表明，熱交換器各部件在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

6.2 正常和異常工況

正常和異常工況下，將再生段筒體、再生段換熱管和冷卻段換熱管由于熱產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)入總的薄膜加彎曲應(yīng)力，其他零部件不考慮熱的作用，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果表明，熱交換器在正常和異常工況下的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

6.3 事故工況

將熱交換器在事故工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果與在安全停運(yùn)地震作用下的結(jié)果進(jìn)行組合，圖7為熱交換器在事故工況下的應(yīng)力強(qiáng)度，從圖中可以看出，組合后的最大應(yīng)力強(qiáng)度相對(duì)于靜力學(xué)分析結(jié)果稍有增加，為197MPa，其位置位于支架底部。依據(jù)薄膜理論并結(jié)合熱交換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將熱交換器再生段筒體、冷卻段筒體中部和冷卻段換熱管的薄膜應(yīng)力處理成總體薄膜應(yīng)力，其余位置的薄膜應(yīng)力均處理為局部薄膜應(yīng)力，應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果表明，熱交換器各部件在事故工況下的應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

6.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況包括試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)溫度，根據(jù)試驗(yàn)工況應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果表明，熱交換器各零部件在試驗(yàn)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格。

7 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)熱交換器進(jìn)行了力學(xué)分析，并根據(jù)RCC-M規(guī)范對(duì)熱交換器結(jié)構(gòu)在各工況下進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，得出以下結(jié)論：

（1）熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造可行滿足規(guī)范要求;

（2）熱交換器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mcintosh A B，Heal T J.Materials for Nuclear Engineers. London：Temper Press，1960.

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[3]譚忠文，王海濤，何樹延.核電廠大型組合結(jié)構(gòu)的有限元抗震分析方法研究[J].核科學(xué)與工程，2008（06）.