加热器及除氧器接管许用外力和外力矩的计算

余雏麟，邓 科，季敏东

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都611731）

加热器及除氧器接管许用外力和外力矩的计算

余雏麟，邓 科，季敏东

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都611731）

在美国闭式加热器标准和除氧器标准中，给出的接管最大允许外力及外力矩公式存在差异。针对这些问题，以某台换热设备为计算对象进行对比，提出了在采用国外标准时，需注意计算公式方面的差异。同时，对于接管安全性校核，在给定所有外力分量的情况下，采用了有限元应力分析方法，对标准的适用性进行验证。

加热器；除氧器；接管；外力；外力矩；计算；校核；探讨

0 概 述

闭式给水加热器和除氧器是电站辅机系统中重要的设备［1］。通常情况下，当加热器或除氧器运行时，在接管处会受到外力和外力矩。在我国标准GB150和固定式容器安全技术监察规程中，并没有明确给出壳体上接管承受外加力和力矩时的校核方法。一般对加热器接管最大允许的外力和外力矩计算，均参照美国换热器协会的闭式给水加热器标准（简称加热器标准）［2］，目前最新版本是第八版；而对除氧器接管最大允许的外力和外力矩计算，则参照美国换热器协会的除氧器标准（简称除氧器标准），目前最新版本是第九版［3］。

尽管加热器标准和除氧器标准接管外载计算章节的引言中提到的计算公式均源于WRC107公报，但具体的计算公式却并不一致。并且，国内外文献中，也没有这两部标准中接管载荷公式的推导过程，这给设计者的应用带来盲目性。为此，本文首先分别简要介绍了加热器和除氧器标准中关于接管外载的计算公式。然后以某台除氧器的计算为例，采用两部标准分别进行计算，综合对比两部标准的异同，并给出应用这两部标准计算接管外力和外力矩时需注意的事项。此外，针对工程中经常遇到的给出接管三个方向的力和力矩的情况，结合实例计算，采用有限元应力分析方法，探讨了加热器标准和除氧器标准中接管外载计算是否适用的问题。

1 标准中接管许用外载计算公式比较

1.1 按加热器标准进行计算

在加热器标准中，关于接管外载计算的步骤有如下5步。

（1）首先计算β和γ。

（2）从标准中给出的相应图表中，查取α、Σ和Δ。

（3）计算内压引起的应力σ。

如果σ比Sa大，则用Sa代替σ。

（4）计算FRRF，MRCM和MRLM。

（5）根据计算得到的FRRF，MRCM和MRLM值得到FRF和MRM，并以MRM为横坐标，FRF为纵坐标绘制出允许力和力矩三角形，只要合力和合力矩在三角形内，则认为接管在此外力和外力矩作用下是安全的。

在式（1）～（6）中：β和γ为无量纲因子；ro为接管外半径，mm；Rm为壳体平均半径，mm；T为壳体壁厚，mm；Sa为ASMEⅧ一篇中壳体材料设计温度下的许用应力，MPa；Sy为设计温度下壳体材料的屈服强度，MPa；σ为设计压力引起的应力，MPa；FRRF为最大允许的径向力，N；MRCM为最大允许的环向合力矩，N·m；MRLM为最大允许的径向合力矩，N·m；FRF为最大允许的合力，N；MRM为最大允许的合力矩，N·m。加热器和除氧器接管许用外载计算的模型，如图1所示。

1.2 按除氧器标准进行计算

在除氧器标准中，关于接管外载计算的步骤也有如下5步。

（1）首先计算β和γ。

图1 加热器和除氧器接管许用外载计算模型

（2）从标准中给出的相应图表中，查取α、Σ和Δ。

（3）计算内压引起的应力σ。

（5）根据计算得到的FRRF，MRCM和MRLM值得到FRF和MRM，并以MRM为横坐标，FRF为纵坐标绘制出允许力和力矩三角形，只要合力和合力矩在三角形内，则认为接管在此外力和外力矩作用下是安全的。

式（7）～式（12）中符号的意义同式（1）～式（6）。

为比较加热器标准和除氧器标准关于接管允许外力和力矩的计算公式的异同，此处以工程中实际设计的某台除氧器为例进行比较，该除氧器的基本参数，如表1所示。筒体材料为Q345R，接管材料为16MnⅢ。根据高加和除氧器标准，计算所得的最大允许力和力矩，如表2所示。

从表2可知，对于同样的开孔圆筒，按加热器和除氧器标准给出的计算结果却是不同的。在加热器和除氧器标准中，关于接管外力和外力矩的计算公式和计算过程的差异，主要表现在两方面：

分别按加热器标准和除氧器标准计算时，计算σ和MRCM时的公式不一致；

表1 除氧器的基本设计参数

表2 两部标准中关于接管力和力矩的计算对比

按加热器标准，计算因内压引起的应力σ后，需要与Sa比较，以确定最终的取值，而除氧器标准计算时，则不需此项的比较。

1.3 公式的应用

由于加热器和除氧器标准的接管载荷计算公式，均来源于WRC107公报，虽然标准中没有给出公式应用时的注意事项和限制［4-8］，但笔者认为，在实际应用时还应该注意几个方面的问题。

（1）公式仅适用于圆筒上的径向接管，不适用于封头上的接管，且不考虑其它边缘效应对接管的影响。因此，接管与封头切线的距离或与壳体端部的距离需大于Rm。

（2）计算时，筒体壁厚的取值，应为筒体的有效厚度。接管外径的取值，应为接管加强段的外径。

（3）在加热器标准中，Sa为一个与安全系数有关的值，而在美国ASME标准和中国标准中，所选的抗拉强度安全系数并不一致。

（4）如果接管同时受横向推力和扭矩，在加热器标准和除氧器标准中，未明确规定公式是否适用。

通过这几方面的分析，在选用加热器标准和除氧器标准进行设计时，不应该盲目套用接管外力和外力矩的计算公式。

2 标准公式的适用性

在实际工程中，经常会遇到这样一种情况，即设计院会给出接管处受到的三个方向的外力和外力矩。此时，应考虑是否采用加热器标准或除氧器标准中的接管计算方法进行评定。此处，仍以表1中除氧器的设计参数为例，假设接管受到三个方向的力和力矩，其分量数值，如表3所示。除氧器接管的允许力和力矩三角形，如图2所示。在图2中，平行于筒体的轴线代表X轴，垂直纸面向里延伸的轴线代表Y轴，剩下另一个带箭头的轴线代表Z轴。力和力矩的方向以右手螺旋法则确定。为验证结果的正确性，同时采用有限元的应力分类法进行对比。

表3 除氧器接管受到的外力分量

图2 带接管的除氧器几何模型

将接管横向推力按力的平移法则，由接管处平移至筒体上，得到的X方向的等效力矩MXEQ和Y方向上的等效力矩MYEQ，其数值，如表4所示。力和力矩的坐标点，如图2所示。按加热器和除氧器标准进行计算，所得最大允许力和力矩三角形，如图3所示。

表4 接管处等效力和力矩

图3 加热器和除氧器接管允许力和力矩三角形

利用有限元验证时，采用ansys软件，单元为20节点solid182，边界条件为：约束筒体一个端面的轴向位移，约束筒体轴对称面上的法向位移，同时约束筒体轴对称面一点的切向位移，以限制模型的刚体位移，在筒体另一个端面施加轴向拉力，接管端面施加三个方向的力和力矩，在外载荷作用下的应力强度云图，如图4所示。

图4 接管在外载作用下的应力云图/MPa

采用JB4732-1995的应力评定方法，选取6条路径进行应力评定，路径的位置示意图，如图5所示。载荷系数K取为1。评定时，两种材料交界面处的路径的许用应力值，以具有较小许用应力的材料为准。评定的结果，如表5所示。

图5 应力评定路径示意图

从图3可知，接管外力分量等效后的点也位于允许的力和力矩三角形范围内，这说明采用加热器和除氧器标准进行判断，结果是安全的。从表5可知，各条路径上的应力分类结果，均满足JB4732的要求，这也验证了接管的安全性。值得说明的是，加热器和除氧器标准中并没有计及扭矩和推力，这可能与扭矩和推力对计算结果的影响较小有关。考虑到有限元法进行评定时，不仅需要大量时间而且其结果还取决于分析者的水平，而采用标准进行计算，不仅快速，而且公式都是给定的，不会产生较多的不确定因素。现仅以一个实例进行了对比计算，但在加热器标准和除氧器标准中，给出评定接管在外载荷作用下安全性的简化思路，却是值得借鉴的，对进一步探究公式的应用场合和应用范围具有重要的意义。

表5 代表路径上的应力线性化结果 （MPa）

3 结 语

在美国闭式加热器设计标准和除氧器设计标准中，针对给出的接管最大允许外力和外力矩计算公式存在差异的问题，结合工程实例，指出在应用这些公式时需要注意的问题。同时，工程中经常遇到需校核接管在给定所有外力分量下安全性的情况，采用有限元应力分析方法，对标准的适用性进行了验证。

［1］季敏东.超临界600MW高加自主开发设计［J］.东方锅炉，2009（4）：1-5.

［2］Standards for closed feed water heaters［S］.Heat exchange institute，Inc.

［3］Standards and typical specifications for tray type deaerators［S］. Heat exchange institute，Inc.

［4］赵栓柱.谈WRC107和WRC297公报在化工设备设计中的应用［J］.化工设备与管道，2001，38（3）：5-13.

［5］秦叔经，王琦.局部应力计算方法的对比研究（上）［J］.化工设备与管道，2008，45（4）：7-15.

［6］秦叔经，王琦.局部应力计算方法的对比研究（下）［J］.化工设备与管道，2008，45（5）：6-12.

［7］高翔.外载荷作用下局部应力的有限元分析［J］.石油化工设备技术，2010，31（2）：23-26.

［8］郭小联，孔帅.WRC107总应力强度计算的适用性研究［J］.压力容器，2010，28（1）：6-11.

Nozzle Allowed External Force and Moment Calculation of Closed Feed Water Heater and Deaerator

YU Chu-lin，DENG Ke，JI Ming-dong
（Dong Fang Boiler Group Co.，Ltd.，Dongfang Electric Group，Chengdu 611731，Sichuan，China）

There is a difference between closed feed water heater standard and deaerator standard on nozzle allowed external force and moment formula in the U.S standard.As to the problem，a heat exchanger is used as the analysis object.The results are compared.Problems that need to pay attention to when applying the above formula is given，when use foreign standard.Meanwhile，for the commonly encountered situation that all external force and moment components are given，FEM is used to check the applicability of the standards.

heater；deaerator；nozzle；external force；external moment；calculation；calibration；exploration

TK223.5

：A

1672-0210（2015）01-0001-04

2014-10-29

余雏麟（1986-），男，博士，工程师，从事换热器设备的设计和研究工作。