基于谱分析的高压加热器地脚螺栓校核

石乾宇，陈建龙，王志坚

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

基于谱分析的高压加热器地脚螺栓校核

石乾宇，陈建龙，王志坚

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

基于给定设备楼层的反应谱，采用有限元方法对某高压加热器进行了谱分析，计算固定支座底端的水平支反力和倾覆力矩，并对地脚螺栓的强度进行校核，为高压加热器及其它卧式容器地脚螺栓的强度设计提供的参考。

高压加热器；谱分析；螺栓；强度；校核；有限元；设计；分析

0　概述

高压加热器是核电和火电回热系统中的重要设备，可提高机组的热效率。对高压加热器地脚螺栓的强度校核，一般参照NB/T47042—2014《卧式容器》标准［1］，对处于较高楼层或核电厂等重要场合的高压加热器而言，在进行抗震设计时，其地脚螺栓的计算校核，仅采用《卧式容器》标准已不太合适。

目前，国内外的抗震计算，通常采用三种方法，等效静力法、谱分析法和时程分析法。对于比较重要的设备，谱分析是抗震计算中一个较好的选择。谱分析在精确度上优于等效静力法，在计算成本上又远低于时程分析法。现根据给定的楼层反应谱，对某型高压加热器进行了谱分析，通过提取固定支座底端的水平支反力和倾覆力矩，校核了地脚螺栓的强度。

1　基本设计参数及模型简化

1.1 基本设计参数

地震时，设备产生的地震响应与设备质量有很大关系。设备在运行中质量最大，地震响应值也最大。所以，在地震作用下的高压加热器分析应按照操作状态进行［2］。该高压加热器的基本设计参数，如表1所示。

1.2 模型简化

由于高压加热器这一类的设备结构比较复杂，而反应谱分析一般应建立设备的全模型，考虑到计算的顺利完成，需对模型进行简化。

表1　高加基本设计参数

（1）将管系及换热管内水的质量，以增加密度的方式等效到壳体，壳体内水的质量，等效成质量点，并与壳体内壁水位线以下部分的质量连接。

（2）忽略质量较小的接管。

（3）管板开孔区按等效管板处理［3］。

（4）设备滑动支座的滑轮与地面间的摩擦作用很小，故计算时不予考虑。

（5）取阻尼比为0.02楼层反应谱。

2　谱分析计算

数值计算采用Ansys Workbench15.0大型通用有限元软件。有限元模型选用实体单元Solid186，模型共有349876个节点。建立的有限元模型，如图1所示。

图1　有限元模型

2.1 模态分析

谱分析是基于各阶模态响应叠加求取总响应的方法，即首先进行模态分析，求出各阶模态频率及各阶振型参与系数，根据模态频率，从地震谱中选择对应的地震加速度，计算在该阶频率下对地震加速度的响应，依据各阶振型对某项反应的贡献程度进行线性叠加，得到这项反应的最大值，按照一定的合成方法（如SRSS或CQC）及一定的合成顺序对响应进行合成［4］。因此，在谱分析前，首先应进行模态分析。

在固定支座底面施加全约束，在滑动支座底面限制其X和Y方向位移。为得到较准确的谱分析结果，模态分析提取的最高阶次的频率值应大于楼层反应谱最大频率［5］。由于给定的楼层反应谱频率最大值为33 Hz，所以，文中提取前12阶模态结果。前12价的模态频率，如表2所示。提取的前四阶模态振型，如图2所示。

图2　提取的前四阶模态振型

表2　前12阶模态频率

2.2 谱分析

完成模态分析后，利用多点谱分析（MPRS）方法，在模型固定支座和滑动支座底面，分别施加阻尼比为0.02的楼层反应谱，如图3所示。模态组合采用完全平方组合法（CQC）［6］。

图3　楼层反应谱

谱分析后，高压加热器的应力分布云图，如图4所示。由于楼层反应谱峰值对应的频率在1Hz～2Hz，而高压加热器的一阶频率就达14.3Hz，实际对应高压加热器低频段的楼层反应谱值很低，所以，总体的应力值较低。

2.3 地脚螺栓校核

在谱分析结果中，提取固定支座的水平支反力和倾覆力矩为：

水平支反力E=48 365 N

倾覆力矩M=136 330 N·m

固定支座地脚螺栓应力校核［1］：

图4　谱分析应力分布云图

剪应力：

拉应力：

其中n′—承受剪应力地脚螺栓个数，4个；

n—承受拉应力地脚螺栓个数，2个；

k0—载荷组合系数，1.2；

A—每个螺栓横截面积，314.16 mm2；

［σ］bt—地脚螺栓许用应力，147 MPa；

l—筒体轴线两侧螺栓间距，1720 mm。

3　结语

采用谱分析，对高压加热器进行了抗震计算，可较为精确地得到其在地震载荷作用下的响应，为高压加热器乃至卧式容器地脚螺栓的强度校核提供参考。因谱分析只适用于线性计算，所以在计算时，将换热管与隔板间的接触、管系与壳体间的接触以及液体晃动等非线性因素进行了简化，若考虑这些因素，必须采用计算成本更高的时程分析法。

［1］NB/T47042—2014.卧式容器［S］.

［2］陈志伟，杨国义，君立军.大型塔器地震时程响应分析［J］.压力容器，2013，30（3）：32-33.

［3］GB/T 151-2014，热交换器［S］.

［4］刘敏，陆智勇.等效静力法及响应谱法在管道抗震中的应用［J］.化工设备与管道，2012，49（4）：55-56.

［5］ANSYS，Inc.，ANSYS Mechanical User's Guide for Release15. 0.ANSYS，Inc.，2013.

［6］GB 50267-1997.核电厂抗震设计规范［S］.

Check of Anchor Bolt for HP Heater Based on Spectrum Analysis

SHI Qian-yu，CHEN Jian-long，WANG Zhi-jian
（Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

The seismic response spectral analysis of the HP heater with FEA has been carried out based on the given floor response spectrum.Horizontal reaction force and overturning moment of the fixed saddle have been calculated and the stress of anchor bolt has been checked，which provide reference for anchor bolt stress design of HP heater and other horizontal vessels.

HP heater；spectral analysis；bolt；strength；check；finite element；design；analysis

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0012-03

2015-10-21

石乾宇（1987-），男，工程师，硕士，毕业于东北大学机械工程与自动化学院，从事电站辅机和压力容器的设计和研发工作。