核主泵试验回路中热水罐应力分析研究

胡有坤　许紫洋　张智罡

【摘 要】石油化工厂及核电站中，部分设备需要在高温工况下工作，使用传统方法来计算温度在设备内产生的应力不仅过程繁琐，且结果准确度低。本文利用ANSYS软件，对某核主泵试验回路中热水罐内的应力分布进行了分析，采用“热-结构”耦合技术，得到了该热水罐在“热-结构”载荷共同作用下的应力分布情况并进行了分析。本文采用的分析方法，对高温下运行设备的分析设计具有一定参考意义。

【关键词】ANSYS；热水罐；应力分布；温度应力

热水罐作为一种常见的过程设备，被广泛应用于化工及核电领域。由于热水罐在运行中需要承受很高的温度和压力，为了保证设备的完整性、可靠性，在进行设计时有必要将温度场产生的应力作为重要影响因素考虑在内，否则，可能导致设计裕量不足，从而引发重大安全事故。因此，对热水罐在温度和压力作用下产生的应力情况进行分析，在优化设计和安全生产保障方面有很重要的实际意义。

有限元法（Finite Element Method， FEM），也称有限单元法，是当今工程分析中获得最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学技术的飞速发展，现在已经成为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。它的基本思想是将表示结构或连续体的求解域离散为一组有限的子域，并且通过它们边界上的节点相互联结成一个组合体。ANSYS 软件是一个基于有限元法上的，融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，并能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享与交换，如 Pro/Engineer、NASTRAN、SolidWorks 等，是目前最常用现代有限元分析工具之一[1]。

本文以某核主泵试验回路中的热水罐为例，考虑设计压力、热水罐的加热方式和保温方式引起的热载荷以及支承载荷等，利用ANSYS软件对其内部的温度场、应力分布进行了模拟，采用“热-结构”耦合技术，得到了设计工况下热水罐内的温度场、“热-结构”耦合应力场分布。

1 设计参数

热水罐设计依据参照GB150-2011[2]和HG-T20592～20635-2009[3]，设计及材料参数见下述。

基本设计参数：内径/外径243mm/323mm；设计压力17.2MPa；最高工作压力15.5MPa；设计温度350℃；操作温度300℃；L1/L2/L3/L4/L5-155/100/800/2000/125mm；壳体材料20#；法兰材料20#锻；工作介质：去离子水。

材料特性参数：筒体20#（δ=40）；Smt=78MPa；Et=178000MPa；设备法兰20Ⅱ；Smt=89MPa；Et=178000MPa；热膨胀系数α13.93×10-12W/（mm 2·℃）；导热系数γ42.28×10-3/（mm·℃）。

容器结构如附图中图a所示。在实际结构中，竖直设备放置在固定台阶上，筒体四周设有三个均布的支架，起到防止设备倾斜的作用。

2 有限元建模

根据热水罐的结构参数及设计数据，对设备的支架，筒体以及与其相连接的法兰进行有限元模型分析。

2.1 单元的选择与建模

根据封头及接管的结构特性和载荷特性，在有限元模型构建中，采用对称原理，以Y轴为回转轴，沿设备轴向取1/3进行分析，附图中图b为热水罐实体模型。

针对设备结构的点，采用ANSYS软件中的20结点三维实体单元（SOLID95）进行建模，并对整个模型进行六面体网格划分，附图中图c为网格划分后的有限元模型。

2.2 模型的边界条件

2.2.1 位移边界条件

具体设置的位移边界条件如下：

①筒体及法兰两侧取对称约束；

②底部法兰端面设置轴向位移为零，ΔY=0；

③支架底板设置为全约束。

2.2.2 载荷边界条件

本次应力分析是“热-结构”的耦合场分析。耦合场的解法可以分为两种，一种称为Sequential Method；另一种称为Direct Method。本文采用Sequential Methods，该方法先解出其中一种物理现象的分析结果，将其当作另一种分析的边界条件，例如热应力，先解出温度分布，再以温度分布为边界条件求解出应力。具体加载步骤如下：

①温度边界条件：加热时加热圈与容器接触表面温度为 425℃，内壁温度为300℃（可获得比内壁350℃时的更大的温差应力）；筒体及法兰被保温层覆盖，故将其表面视为绝热；支架暴露在外界环境中，取对流换热系数取10E-6，环境温度为25℃。温度载荷施加完成后附图中图d所示。

②“热-结构”耦合边界条件：导入温度场分析结果作为载荷边界条件，子筒体内壁施加17.2MPa内压；由力平衡计算得到法兰垫片等效压力36.75MPa，螺栓连接等效压力166.94MPa，并将施加在模型相应位置。设置完成后如附图中图e所示。

3 结果分析

3.1 温度场分布

附图中图f、g所示为温度场分布计算结果，加热圈与容器接触表面温度为425℃，内壁温度为300℃，支架与空气为对流换热，温度场成递减趋势。

3.2 等效应力分布

附图中图h、i所示为“热-结构”载荷共同作用下设备内等效应力分布情况，从图中可知，最大等效应力出现支座与筒体连接结构处约135.7MPa，主要是由结构的几何不连续性造成的。

4 结论

利用ANSYS软件，对某核主泵试验回路中热水罐内的应力分布进行了分析，采用了“热-结构”耦合技术，得到了该热水罐在设计工况下的温度场，以及“热-结构”载荷共同作用下的应力分布情况并进行了分析。通过这种分析设计方法，可以有效地将设备内部由温度及内压共同作用下的应力场求解出来，从而实现设计的优化和。

【参考文献】

[1]倪栋，段进.ANSYS10. 0 基础教程与实例详解[M].

[2]GB150-2011.钢制压力容器分析设计标准[S].

[3]HG-T20592～20635-2009.钢制管法兰、垫片和紧固件[S].

[责任编辑：杨玉洁]