凝汽器水室强度分析

薛英喜 洪增元

摘 要：本文对凝汽器水室进行实体建模，使用ABAQUS软件对水室在设计压力和试验压力下的强度进行分析计算，通过分析水室在设计压力及试验压力下的压力及变形情况，对凝汽器水室结构提出改进措施，为水室的优化设计提供参考。

关键词：凝汽器 水室 强度分析

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0081-02

凝汽器是使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。水室是凝汽器中引导冷却水进入和离开冷却管的部件，直接关系到机组的热效率。本文利用ABAQUS软件对设计压力和试验压力下的水室进行强度分析，计算得到了相应工况下的水室应力和变形情况，对凝汽器水室结构进行评价分析，为水室的优化设计提供参考。

1 建模

1.1 结构模型

水室主要由主壳体、加强管及连通管焊接而成，根据提供的图纸，通过UG软件建立水室的三维模型，如图1所示，水室侧板及加强筋板采用SA516.Gr70材料，许用应力为138MPa。弹性模量：2.1×105MPa，材料密度：7.85×103 kg/m3，泊松比：0.3。

1.2 有限元计算模型

设计压力为0.5MPa，水压试验压力为0.65MPa，水室静水压力相对试验压力较小，在此忽略不计。对矩形法兰处进行约束，限制其6个自由度，在循环水接口处法兰连接压力试验堵板。

2 计算结果分析

2.1 水室在0.5MPa设计压力下

由应力结果可知（图1），水室较大应力出现位置主要集中在一些结构不连续区域，如侧板和底部平板以及连通管相交位置，水室整体并没有较大面积的高应力区域出现，还可以看到水室内排加强管倒数第二根所承受拉力较大，最大应力为245.5MPa，已经超过加强管材料SA-106的屈服极限240MPa。其原因为这一部分侧板表面受内压变形较大，而加强管截面积相对较小，不足以承受两侧板的拉力所致。应考虑在不影响水室流场的情况下，增加加强管的直径或以加强杆替代以满足强度的要求。

水室的变形情况如图2所示。从中可以看到，在0.5MPa设计压力作用下，水室最大变形出现在内排加强管倒数第二根，变形为5.9mm。壳体最大变形发生在侧板中下部，最大变形为4.3mm，造成此处变形较大的原因是由于加强管布置间距较大所致，但4.3mm的最大变形量相对于30mm的壳体厚度来说可以忽略。

2.2 水室在0.65MPa试验压力下

由应力结果可知，在0.65MPa试验压力下，水室较大应力出现位置与设计压力时基本相同，水室整体并没有较大面积的高应力区域出现。水室内排加强管倒数第一根、第二根所承受拉力较大，最大应力为253.5MPa，同样已经超过加强管材料SA-106的屈服极限240MPa。为防止加强管整体屈服应考虑进行加强。

同时，在0.65MPa试验压力下，水室最大变形出现在内排加强管倒数第二根，变形为10.02mm。壳体最大变形发生在侧板中下部，最大变形为6.74mm，水室壳体变形较小不会对整体刚度造成大的影响，但由于加强管应力屈服引起的过大变形，需要对其进行重新加强。

2.3 改进方案

水室内部加强管并不是每根都承受着很大的侧板受压扩张所带来的拉力，只有临近连通管管口的4根加强管受力较大，尤以内排加强管最下面的两根为最大。可以采用去除外排（靠近法兰侧）加强管，内排只保留连通管管口附近的4个加強管的改进方案。

同时，水室内排加强管倒数第一、第二以及第三根的应力都已经达到其材料的屈服极限，其原因主要是由于加强管外径较小（截面惯性矩较小）导致刚性不足所引起的。因此我们将加强管改为相同直径的加强杆来对侧板进行加强。

3 结语

通过ABAQUS计算得到了水室结构的应力和位移分布情况，结果表明：水室主壳体在0.5MPa设计压力和0.65MPa水压试验压力下的结构均能够满足强度要求；水室内部加强管结构不足以承受侧板拉力，应力达到屈服，可能会对水室结构安全造成影响。可以考虑以水室连通管临近4根加强杆（或与其截面积相等的加强管）结构替代原设计中的两排各6根加强管结构的改进方案。

参考文献

[1] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京：机械工业出版社，1993.

[3] 王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.