蛇形管高压加热器集管结构的热弹性分析

陈宝星，陆毓颖，尹金亮

(1. 国家电投沁阳发电分公司，河南，沁阳，454550；2. 上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090))

0 概 述

发电厂的高压加热器(简称高加)是利用汽轮机抽汽加热锅炉(或蒸汽发生器)给水的装置。利用高加加热给水，可提高机组的热效率，并有助于机组的安全运行。高压加热器通常有2种结构型式，即U形管式和蛇形管式[1-2]。

1 高压加热器的高压腔室

U形管式高压加热器的高压腔室由球形封头、管板、换热管等部件件组成。高压加热器的高压腔室，如图1所示。蛇形管式高压加热器的高压腔室由集管(联箱)、换热管等部件组成。蛇形管式高压加热器的高压腔室，如图2所示。当高压加热器处于启动、汽机跳闸或高负荷运行工况时，加热器将遭受热应力的冲击。现利用ANSYS软件，通过数值模拟的方法，在瞬态热工况下，对蛇形管集管与普通U形管管板进行应力分析和数值对比。

图1 U形管式高压加热器的高压腔室

图2 蛇形管式高压加热器的高压腔室

2 建模与载荷

蛇形管集管与U形管管板均为分布了密集管孔的结构，为研究某处管子管口在瞬态工况下的性能，可建立纵横若干排管子管口的力学模型。根据圣维南原理，分析力学模型中心处管子管口的应力分布，并认为若干排数的管子管口的应力分布，即可代表周边结构对目标结构的影响，同时，认为在该范围以外的结构对目标几乎没有影响。因此，选取管子管口的排列模式，为纵横2～4排，并建立了管子管口的力学模型。

按某工程图纸，选取蛇形管集管的几何尺寸。选取U形管管板尺寸时，应与蛇形管集管的选取尺寸相对应，即管板厚度相同、管子管口的尺寸、分布间距均一致。选用的材料与工程实际使用的材料相同，均为ASME标准中的许用材料347 H。除热瞬态载荷外，在管程均受18.7 MPa的内压作用，截断面上有平衡拉力。在结构载荷与温度载荷同时作用的情况下，分析比较2种结构的热应力[3-4]。

3 模拟计算

对2种结构施加温度载荷和结构载荷，初始温度为100℃，温升速率为15℃/min，对流系数取1 000 W/m℃，计算时长为60 s。经模拟计算，2种结构在第60秒时的温度分布情况，图3所示。2种结构在第60秒时的热应力分布情况，如图4所示。在中心处管口连接部位的局部不连续区域，选取了线性化路径A与B，并分别进行了模拟计算。计算结果，如表1所示。由表1可知，在相同载荷条件下，对于管子管口的一次加二次的应力值，U形管管板的应力比蛇形管集管的应力增大40%，若采用该管子管口的设计尺寸，U形管的一次加二次的应力值，已超过标准中许用应力的3倍，因此，无法满足工程的要求，还须改进结构设计。

图3 蛇形管集管和U形管管板在第60 s时的温度分布

图4 蛇形管集管和U形管管板的热应力分布

表1第60s时的热应力值

结构形式路径应力类型计算值/MPa限值/MPa蛇形管集管APL+Pb+Q228.283Sm=411BPL+Pb+Q298.913Sm=411U形管管板APL+Pb+Q370.253Sm=411BPL+Pb+Q417.173Sm=411

在表1中：PL为局部薄膜应力；Pb为弯曲应力；Q为二次应力；Sm为材料在实时温度下的许用应力。

4 热应力与控制变量法

为了进一步说明产生应力差异是由于蛇形管结构上的优势，现采用控制变量法，在各种工况参数下，比较蛇形管集管与U形管管板的热应力大小，控制变量为温升速率、初始温度及内压。

4.1 计算结果

由于平板承载力相比于圆筒对内压的承载力较弱，为了排除形状属性上差异的影响，所以，取消了结构载荷中的内压和平衡拉力，重新进行了分析，仍取相同的路径，再次计算的结果，如表2所示。对比表1及表2的计算结果，在没有内压的情况下，蛇形管集管和U形管管板结构的热应力的差值，大于有内压的情况。根据载荷分布可知，U形管管板本身并未被直接施加内压，载荷是施加于管子的内壁。

表2无内压时的热应力值

结构形式路径应力类型计算值/MPa限值/MPa蛇形管集管APL+Pb+Q181.763Sm′=351BPL+Pb+Q189.943Sm′=351U形管管板APL+Pb+Q370.943Sm′=351BPL+Pb+Q448.453Sm′=351

4.2 控制温升速率

为研究在不同温升速度条件下，蛇形管集管相较U形管管板的结构优势，分别在温升速率为15℃/min、30℃/min、45℃/min、60℃/min的情况下，分析了蛇形管集管及U形管管板的热应力分布情况。线性化路径仍取在管子管口的局部位置，其它载荷保持不变。经计算，并将计算结果(60 s)进行对比，绘制成的折线图，如图5所示。由图5可知，随着温升速率的提升，热应力值有上升的趋势，但蛇形管集管的应力仍比U形管管板的应力低很多，蛇形管集管在结构上有着明显的优势。

4.3 设定初始温度

为了研究在高温工况下，蛇形管集管和U形管管板的结构性能，将初始温度定为300℃，温升速率设为15℃/min，分析2种结构的热应力分布情况。仍取同样的2条线性化路径，计算得到2种结构一次加二次应力的比值，并与100℃时的应力值进行对比，如表3所示。对比结果显示，在高温工况下，蛇形管集管的性能仍优于U形管管板，且差异值更甚于低温状态之时。

5 结 语

图5 2条路径下热应力值随温升速率的变化

表3高温下的热应力值

应力类型比值路径300℃100℃σ=PL+Pb+QσU形管管板σ蛇形管集管A2.01411.6219B1.99301.3956

利用CAE软件进行计算，以弹性力学、塑性力学理论为依据，采用有限单元法进行数值分析，并依据圣维南原理简化力学模型，计算了蛇形管高压加热器集管上任一管子管口局部结构在瞬态热载荷与结构载荷的作用下的应力值，并与同尺寸U形管管板上的管子管口进行了对比，验证了蛇形管集管结构具有更佳的瞬态热性能。

通过改变温升速率、初始温度及结构载荷，计算了2种结构的热应力值，可发现温升速率越高，2种结构应力值的差异越大。当初始温度升高，2种结构应力值的差异增大，而蛇形管集管应力值随温度升高的提升幅度较小。若改变结构载荷，2种结构应力值的差异犹存。