可变弹簧支架在凝汽器热井上的应用

李子钧

（杭州汽轮辅机有限公司，浙江杭州310022）

可变弹簧支架在凝汽器热井上的应用

李子钧

（杭州汽轮辅机有限公司，浙江杭州310022）

采用有限元方法，模拟了各种工况下弹簧对凝汽器的支承作用，试图将可变弹簧支吊架应用到凝汽器的热井上，并讨论了这种思路的可行性。通过对比，分析了使用弹簧支吊架后的应力变化，展示了弹簧对降低接管口和支座局部应力的作用，证明了设计的可行性。

凝汽器；热井；有限元；可变弹簧；支架；应力；设计；应用

0 概 述

较大换热面积的凝汽器，通常需配置较大的热井。因热井设备高度较高，运输不方便，为了解决运输问题，热井可在电厂进行现场拼焊。但对于制造加盖ASME U钢印的凝汽器，在现场拼焊时，必须由有资质的焊接人员在现场完成。同时，还需AI（ASME授权检验员）到场，所以，热井在现场拼焊的成本也很高。为解决这些问题，设计了可拆卸热井。热井的布置形式，如图1所示。热井为方形腔体，热井与凝汽器壳体用2个法兰接管连接，热井下方布置了4个弹簧支架。因增加了弹簧支承，改变了凝汽器本体支座上的载荷情况。现采用有限元方法，讨论了增加弹簧支承所引发的问题，并提出了解决措施。

图1 可拆卸热井

1 可变弹簧的使用方法

在管线的支承设计中，各类弹簧的使用是很常见的。在各种工况下，可变弹簧支座均能有效地支撑管线。凝汽器运行时会因受热膨胀而产生位移，在热井上加装可变弹簧支座，也是出于相同的考虑。

根据可变弹簧支吊架的选用方法［1］，从弹簧的工作荷载、运行的位移量和位移方向，以及管道空间位置，确定弹簧的形式、工作范围、弹簧支吊架编号和安装荷载。可变弹簧的选用原则是：在弹簧能够承受工作荷载，并满足荷载变化的前提下，要求选用较小规格的弹簧。

可变弹簧支吊架的选用，应依据JB/T8130.2［2］的要求进行选择。

（1）根据弹簧支架固定部位的结构形式，结合管道空间位置和各型弹簧的使用特点，确定弹簧支吊架的形式。

（2）根据运行时弹簧的工作荷载、工作位移量和位移方向，按照荷载位移选用表，确定弹簧吊架编号和安装荷载。

在运行中，如管道的位移向上，一般可在选用表的中线与粗线之间，查得弹簧的工作荷载。再按位移量，可查出安装荷载。如果运行时管道的位移向下，可在选用表的中线与下粗线之间，查得弹簧的工作荷载，同样，可按位移量查出安装荷载。安装荷载既能从选用表中查得，也可按式（1）计算。

安装荷载=工作荷载+弹簧刚度×位移量 （1）

注：当位移向上时位移量取正值，位移向下时取负值。

（3）选用可变弹簧时，无论管道位移向上还是向下，选用的工作荷载和安装荷载应在选用表的上下两粗线之间。当位移较小时，工作荷载和安装荷载可能出现在中线与某粗线之间。可变弹簧支吊架的荷载变化率不应超过25%。荷载变化率按式（2）计算。

荷载变化率=｜（工作荷载-安装荷载）/（工作荷载）｜×100%≤25% （2）

2 选用弹簧时需考虑的问题

对于支承管线的弹簧计算，采用式（1）、式（2）计算即可。若按照ASME［3，4］要求，考虑在凝汽器底部安装弹簧，那么壳体与接管的连接处就会产生应力，所以需校核支座及接管周边的局部应力。可利用有限元软件，计算该处的局部应力，求得应力分布云图。结合ASME标准中的计算方法，计算高应力的区域范围，确保设备的运行安全。

3 具体算例

以某台凝汽器的设计为例，讨论有限元的使用方法及建模问题。通常情况下，凝汽器的热井与凝汽器的拼装焊接，如图2所示。为了便于运输及减少现场焊接工作量，将热井改为可拆卸热井。为了分析弹簧对热井及接管应力的分布情况，采用有限元方法，对凝汽器及热井进行了建模。建立的凝汽器有限元模型，如图3所示。凝汽器壳体由钢板卷制而成，所以，采用Abaqus［5］中的S4R/S3单元，模拟凝汽器的外壳。模型单元总数191 878，节点数为190 216；用Spring单元模拟4根弹簧。采用MASS单元补足换热器的重量。

图2 热井与凝汽器的拼装焊接

图3 凝汽器的有限元模型

3.1 无弹簧支架时热井与接管的应力计算

不使用弹簧支架，直接将热井与接管连接，进行应力分布计算。凝汽器总重量为150 t，热井注入2/3的水，水的质量为16.7 t，另外需附加40℃的水温差（安装时室温20℃，运行时水温60℃）。约束4个支座竖直方向的位移，约束进气口方向的位移，约束导向架垂直方向上的位移。热井处于悬挂状态。采用abaqus求解器求解。计算结果，如图4、图5、图6所示，图4展示的是位移，总位移约10 mm，热井向下的位移较明显。图5、图6为应力分布状况，最大显示应力为120 MPa，各图中深色部分为超过此值的区域。接管及支座周围的应力有部分超过此值，若再加上壳体工作时的外部压力，接管及支座周围会出现更高的应力点，在凝汽器上出现较高的局部应力，对运行是不利的。有时，为了消减局部应力，不得不增加凝汽器壳体的壁厚，提高了设备的制造成本。

图4 无弹簧支座时的位移量

图5 无弹簧支座时支座应力分布（显示至120 MPa）

图6 无弹簧支座时接管应力分布（显示至120 MPa）

3.2 增加弹簧支架后热井与接管的应力计算

仍采用已建模型，并增设弹簧组后进行应力计算。首先，为热井选一组弹簧。（1）增设弹簧组是为了消减连接接管周围的应力，弹簧组应能承受热井的自重及热井内部介质的重量。热井重约8.9 t，热井注入2/3的水，水的质量为16.7t。弹簧应承受的总重量为W=8.9 t+16.7 t=25.6 t。（2）选用4根弹簧，每根弹簧的运行载荷F=W/4=6.4 t。依据弹簧的选取原则，从有关标准中选取20号弹簧，其刚度为K=1108.157 N/mm，弹簧支架为TD30F20。（3）估算弹簧的安装载荷。因热胀引起的位移约2.2 mm，弹簧的安装载荷应力Fi=6.4 ×9800-1108.157×2.2=60282.1N。（4）弹簧的变化率需小于25%。（5）按计算所得的安装载荷加位移至每根弹簧上。（6）调整弹簧的实际载荷。从计算中得弹簧载荷实际平均值是6.3 t而不是6.4 t，因此，必须重新调整弹簧的安装载荷，并重新计算。（7）重新验算弹簧载荷，此时，每根弹簧的平均载荷约为6.41 t。弹簧变化率依然小于25%，验算完成。

3.3 设备冷态时的承载

设备安装完成后，此时热井内没有水，也不会有热胀，热井的一部分重量依然挂在接管上。每根弹簧的支撑力平均为为6.1 t，热井空重为8.9 t，每根接管上承受的重量为（6.1×4-8.9）/2=7.75 t，载荷还是比较大的。冷态时的位移及应力分布，如图7、图8、图9所示，热井向下位移量最大为3 mm，支座和接管附近的局部应力超过120 MPa。

图7 冷态时凝汽器向下的位移

图8 冷态时支座的应力分布（显示至120 MPa）

图9 冷态时接管的应力分布（显示至120 MPa）

3.4 设备热态时的承载

运行时，热井注入了2/3的水，凝汽器的温度从20℃上升至60℃。此时，接管上的载荷几乎为零。如图10、图11、图12所示。热井向下的位移为3.0 mm，支座局部应力超120 PMa的区域较多，而接管应力没有超过此值。由于热井及水的重量由弹簧支座承载，弹簧附近的局部应力较高，应力分布情况，如图13所示。此时，有部分区域的应力超过120 MPa。

图10 热态时产生的位移

图11 运行时支座应力的分布（显示至120 MPa）

图12 运行时接管应力的分布（显示至120 MPa）

图13 运行时弹簧支架附近的应力分布（显示至120 MPa）

3.5 各种状态下的应力变化

凝汽器长时间处于运行工况，故将无弹簧时与使用弹簧时的应力分布进行对比。对支座的应力分布，如图5、图8、图11所示。应力由小到大的排列次序为：冷态时最小，其次有弹簧时的工作状态，最大的是无弹簧时。冷态时，由于弹簧支撑力分担了凝汽器本体上支座的部分载荷，故支座周边的应力较小。正常运行时，弹簧支撑了热井及内部水的全部重量，所以，此时支座的载荷小很多，应力也就小些。对于接管的应力分布，由图6、图9、图12可知，应力由小到大的排序，依次为运行时最小，其次冷态，最大也是无弹簧时。运行时，接管基本没有载荷。冷态时，接管承受7.75 t压力。不用弹簧时，每根接管将承受12.8 t的拉力，这个载荷将长时间作用在接管上，限制了凝汽器的使用寿命。增加弹簧支座后，弹簧支承区域内的局部应力较大，所以，应在弹簧与热井接触区域加焊垫板，可以有效地消减局部应力。

通过分析可知，这类热井在增加弹簧支承后，接管和支座附近的应力明显降低，设备的安全性得到保证。

4 结 语

讨论了可拆卸热井的设计问题，将管线上使用的可变弹簧应用到凝汽器设备上，并讨论这种思路的可行性。提出了设备上使用可变弹簧的方法，利用有限元技术，对弹簧所引起的局部应力变化进行了分析。应用软件对应力进行了计算，并验证了计算结果。通过可变弹簧的应用，降低了支座及管口附近区域的应力，提高了凝汽器的使用寿命。

［1］唐永进.压力管道应力分析［M］.北京：中国石化出版社发行，2003.

［2］JB/T8130.2-1999，可变弹簧支吊架［S］.

［3］ASME Boiler and Pressure Vessel Code［S］，Section，VIII，Div.1

［4］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，［S］Section，VIII，Div. 2 Alternative Rules.

［5］Abaqus/CAE用户手册［EB］，法国达索公司.

简讯

中俄合作项目将催生世界最大火电站

据俄新社报道，中国国家电网公司对与俄罗斯国际统一电力系统公司进行的联合项目进行了评估，该项目建成后，成为世界上最大的火力发电站，该电站将使用阿穆尔州叶尔科夫齐煤田的煤炭资源，项目总造价达150亿美元。据阿穆尔通讯社报道，该煤炭发电站将成为俄罗斯最大0000的发电站，发电量将达到8千兆瓦，超过世界上最大的火电站苏尔古特第二火电站（5.6千兆瓦）和台湾的台中热电站（5.5千兆瓦）。

摘自上海电气电站设备有限公司电站辅机厂技术部《信息简讯》第196期

The Application of Variable Spring Hanger in Condenser Hot well

LI Zi-jun
（Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.，Ltd.Hangzhou 310022，Zhejiang，China）

Finite element method has been used to simulate the supporting effect of the spring on the condenser in various working conditions.The idea that variable spring support is applied to the design of condenser hot well has been discussed.Through comparison，stress variation of condenser using spring hanger has been analyzed，the effect of spring on the stress reduction of the nozzle and support local stress has been shown.The feasibility of the design has been proved.

condenser；hot well；finite element；variable spring hanger；hanger；stress；design；application

TK264.1+1

：B

1672-0210（2015）01-0023-05

2014-12-24

李子钧（1981-），男，毕业于上海理工大学，硕士研究生。从事汽轮机辅机方面的设计研发工作。