除氧器热固耦合分析及强度校核

石乾宇，李凤梅，佟宝玉

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

除氧器热固耦合分析及强度校核

石乾宇，李凤梅，佟宝玉

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

除氧器在运行过程中，给水装置与筒体之间存在较大的温度梯度，进而产生较大的热应力。基于给定的除氧器设计参数，对某型除氧器进行了热固耦合分析，并参照相关设计标准，对除氧器在额定运行工况下的强度进行了校核，确保该型除氧器的安全运行。

除氧器； 给水装置； 热应力； 热分析； 热固耦合； 有限元； 强度； 校核

0 概 述

电站除氧器是汽轮机发电机组加热系统中的混合式加热设备，利用汽轮机抽汽将锅炉给水加热到对应于除氧器运行压力下的饱和温度，除去溶解于给水中的氧气及其他不凝结气体，提高锅炉给水的品质，以防止或减轻锅炉、汽轮机及其附属设备和管道等的氧腐蚀[1]。另外，除氧器是多级加热系统中的关键设备之一，通过本级加热可以升高锅炉给水温度，进而提高发电机组的热效率[2]。

除氧器在运行过程中，给水装置(包括给水母管、分配管和喷嘴接管)中的凝结水温度低于除氧器筒体内的蒸汽温度，这使得给水装置与筒体之间有较大的温度梯度，因此，在除氧器的给水装置中存在较大的热应力，而常规设计不能准确地考虑这一点。所以，设计时，需要考虑热应力对除氧器强度的影响。现利用有限元软件，对除氧器进行热固耦合分析，并参照JB4732-1995(2005年确认)[3]标准，对计算结果进行强度校核，可更加全面地确保除氧器在各工况下运行的安全性。

1 设计参数及模型简化

1.1 基本设计参数

某型除氧器的基本设计参数，如表1所示。

表1 除氧器基本设计参数

设计工况TMCR工况设计压力/MPa1.2/-0.1工作压力/MPa0.875设计温度/℃281蒸汽温度/℃178最高工作温度/℃180凝结水温度/℃159

1.2 模型的简化

根据该除氧器两段结构的相似性，选取其中一段作为分析对象。在保证可以反映实际问题的前提下，简化模型，以减小有限元软件的计算量。除氧器的滑动支座，可沿除氧器轴向自由膨胀，对支座的热应力影响较小，所以，分析模型时，对支座进行了适当的简化处理。除氧器的结构模型，如图1所示。

图1 除氧器结构

2 热固耦合分析及强度校核

2.1 材料的物理特性

制造除氧器的主要材质为碳钢，钢材的物理特性，如表2所示。

表2 材料的物理特性

温度/℃0100200300400平均导热系数λ/W·(m·K)-150.547.544.842.039.4平均线膨胀系数α/mm·℃(10-6mm)10.7611.5312.2512.9013.58弹性模量E/103MPa202197191183170

2.2 热分析

热应力分析在本质上属于热固耦合分析，即分析温度场与结构场(应力和变形)的相互作用。在通常情况下，温度场对结构场的作用，要远大于结构场对温度场的作用。所以，热应力分析一般采用弱耦合算法。在弱耦合算法中，结构场控制方程包括了温度场参数(热应力)，但是导热控制方程不包括应力和变形等结构场参数[4]，这在工程分析中更易于实现。因此，在本例计算中，采用弱耦合算法。

首先进行热分析，采用ANSYS软件提供的Solid70单元进行计算。有限元的模型，如图2、图3所示。由于设备的保温措施较好，且重点分析给水装置与筒体之间的热应力，所以计算时的热边界条件为：给水装置内表面加载凝结水温度，筒体内表面加载蒸汽温度，不考虑支座与地面间的传热。其次，在工程计算中，一般难以得到准确的对流传热系数，所以，通常是在金属表面加载介质温度，采用保守的处理方法。

图2 除氧器有限元模型

图3 除氧器有限元模型(局部图)

经过热分析，除氧器在运行工况下的温度场分布，如图4所示。喷嘴接管与加强圈连接处、支撑板与筒体垫板连接处的温度梯度较大，这是由于给水装置与筒体之间的温度差，导致的热膨胀差引起的热应力。

图4 除氧器运行工况温度场分布

2.3 热固耦合分析

热固耦合分析，采用ANSYS提供的Solid95实体单元进行计算。在热分析有限元模型上施加边界条件为：在设备内表面上，加载操作压力，筒体和接管端面加载等效压力，固定支座施加全约束，滑动支座允许其沿设备轴向运动，导入热分析结果。

经过热固耦合分析，除氧器运行工况下的应力分布，如图5所示。设备总体的最大应力点，出现在非承压件支撑板与筒体垫板连接处A，承压件的最大应力点，出现在喷嘴接管与加强圈连接处B。所以，需对A、B处进行材料强度的校核计算。

图5 除氧器运行工况应力分布

2.4 强度校核

评定路径的位置，如图6所示。A处评定路径为1，B处的评定路径为2。设计工况下的强度计算，由常规设计时的计算值决定，现仅对有热应力的运行工况下，对强度计算进行评定。

路径1的一次加二次应力强度为376.1 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

路径2的一次加二次应力强度为210.5 MPa<3Sm=136.67×3=410.01 MPa。

图6 评定路径

其中Sm为运行工况平均温度下的材料许用应力。

经评定，在运行工况下，除氧器能满足JB4732-1995(2005年确认)标准中的强度要求。

3 结 语

通过热分析计算除氧器在运行工况下的温度分布，并将热分析结果导入结构分析中，计算了除氧器在运行工况下的应力分布，参照设计标准，进行了相应的应力评定，保证了设备安全运行。

由于除氧器在常规设计中很难考虑热应力的影响，采用有限元软件进行热固耦合分析，并参照相关标准进行评定，可作为设计时相应的补充计算，这在温差较高的核电除氧器设计中，尤其应予以重视。

[1] 蔡锡琮，蔡文钢.火电厂除氧器[M].北京:中国电力出版社，2007.

[2] 李崇超.单筒式除氧器的技术特点[J].电站辅机，2008，29(3)：8-10.

[3] JB4732-1995，钢制压力容器-分析设计标准(2005年确认)[S].

[4] 王成恩，崔东亮，曲蓉霞.传热分析与结构分析有限元法及应用[M].北京：科学出版社，2012.

Thermal Stress Analysis and Strength Check of Deaerator

SHI Qian-yu，LI Feng-mei，TONG Bao-yu

(Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang, China)

The temperature gradient is great between feed-water devices and cylindrical shell when the deaerator operates, and then large thermal stress is produced. The thermal stress analysis of a deaerator is carried out based on design parameters in this paper, and strength is checked for the operating condition according to JB4732-1995, by this way, the safe operation of the deaerator is ensured.

deaerator; feed-water devices; thermal stress; heat analysis; thermal-structure coupling; FEA; strength; check

1672-0210(2017)01-0016-03

2016-12-15

石乾宇(1987-)，男，工程师，毕业于东北大学机械设计及理论专业，从事压力容器的设计及技术开发工作。

TK223.5+22

A