核电厂汽轮机高频感应加热螺栓数值模拟研究

周霭琳，叶 凯，朱凯亮，刘 斌，于群利

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

国内某核电厂汽轮机组包括1台高压缸和2台低压缸，高压缸缸体是焊接而成，分为上、下缸体两部分；低压缸缸体为内、外装配型结构，也分为上、下缸体两部分；高、低压缸的上、下汽缸法兰由螺栓连接，相互之间接触面大，需要足够的严密性才能保证较高的热效率和安全可靠性。为确保气缸中分面带负荷受热状态下的严密性，每颗螺栓紧固力较大。紧固螺栓长期工作在340℃以上的高温高压条件下，同时还受启停机、变负荷时产生的热应力影响，导致螺栓螺纹咬死的行业问题难以解决[1]。该电厂采用高频感应加热方式：利用电磁感应的方法使被加热的材料内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的[2]，从而紧固螺栓。因此用有限元分析法和热固耦合分析功能，研究高频感应加热螺栓的温度分布和应力变化规律[3]，以理论数据为依据指导实际工作，以期对高频感应加热器的参数优化和规范制定提供理论支持和参考。

1 螺栓模型介绍

该电厂汽轮机高压缸中分面部分螺栓尺寸短、体型大，在加热时由于热传导使螺帽和缸体同时升温，难以拆解，因此选取有代表性的5英寸（12.7 cm）耐热钢SNB16的栽丝螺栓进行三维有限元建模，螺栓的基本信息、力学性能和物理性能见表1、表2。

表1 5英寸-8UN栽丝螺栓信息

表2 5英寸-8UN栽丝螺栓力学和物理性能

2 三维建模

对5英寸耐热钢SNB16的栽丝螺栓的结构特征进行简化，建立热紧螺栓的理论简化模型，如图1所示。加热功率参照实际检修工况：加热棒输入功率为20 kW，实际检修时加热约13 min能达到额定伸长量1.2 mm，由于无法测量螺栓内外表面温度，只能测得螺母外壁温度约38℃，相邻缸体温度33℃。本文采用单向间接耦合分析，螺栓和感应加热棒均采用8节点六面体单元，整个有限元模型网格单元总数为60 717，节点总数为150 878，电磁感应加热中磁单元采用SOLID117，热单元采用SOLID90，结构单元采用SOLID186，建立高频感应加热螺栓的三维有限元分析模型，如图2所示。

图1 简化结构

图2 三维有限元模型

3 有限元分析

3.1 磁场分布规律

根据加热参数可得输入电流57.90 A，输入电流密度35.72×106A/m2，由此建立了高频感应加热螺栓的热固耦合场分析模型。螺栓内表面聚集了大量磁通量，磁场密度从中心向两侧逐渐减弱，螺栓外部及螺母的磁通量密度很小，最大的实部磁通量密度为0.187 T。这主要是由于集肤效应，螺栓中产生的感应电流会聚集于螺栓表层即内径表面，而非平均分布于整个螺栓的截面积中。

3.2 温度场分布规律

感应加热13 min的螺栓温度场分布如图3所示。由于集肤效应，感应加热作用于螺栓上时电涡流主要集中于螺栓的内径附近，内径附近的温度率先上升。热量沿径向传递至外径，进而温度传递给螺母和外围的空气。因此，各个时刻整体的最高温度均位于螺栓内径中部的位置，加热13 min时热紧螺栓的最高温度位于螺栓内径的中部，最高为182.6℃，整体温度场由螺栓内径向外径分布。随着加热时间的推移，整体温度逐渐升高，温度场分布向外侧移动，螺栓的轴向温差逐渐增加。在感应加热过程中，螺母的温度变化不大，感应加热对螺纹的影响较小。

图3 螺栓的温度场

感应加热13 min的螺母温度场分布如图4所示，可以看出温度由螺母内径底部向螺母外径顶部逐渐降低，在加热到13 min时最高温度为39.1℃，位于螺母的内径底部；实测螺母外壁温度38℃，实际螺母内壁温度应更高，这是因为螺栓对整个缸体有热传导，才导致螺帽实测温度比计算值高，仍能满足工程中技术规格书要求：加热中任何时候靠近被旋紧螺母处外体表温度不超过100～120℃。

图4 螺母的温度场

3.3 应力场分布规律

整体的应力场由螺栓内径向外径分布，随着感应加热时间的增加，螺栓外径处的等效应力随之增加。等效应力主要受温度影响，螺栓内径处的温度相对较高，其热应力也相对较大，螺栓的最大等效应力位于内径附近。由于螺母的温度较低，其相对等效应力比较小，最大等效应力位于螺母的底部。感应加热过程中螺栓最大等效应力随时间的变化曲线见图5：在感应加热的初始阶段，螺栓的温度增长特别快；在感应加热中后期，螺栓的内外径温差趋于稳定，螺栓的等效应力受其影响同样趋于稳定值，约124 MPa。

图5 螺栓最大等效应力随时间的变化曲线

3.4 螺栓伸长量分析

结构分析中将已得到的温度场作为温度载荷加载到有限元模型中，并在螺栓底部施加轴向位移约束，设置分析类型为瞬态分析。各个时刻内，整体的总位移均大致沿轴向分布，总位移自下而上逐渐增大，最大位移都位于螺母顶部（图6）。随着时间的增加，整体的最大总位移也随之变大，最终时刻整体的最大总位移为1.23 mm，比实际伸长量1.2 mm大，分析认为是由于螺栓对外热传导，螺栓实际温度低于计算值，因此实际伸长量低于计算值，但该偏差约2.5%，在合理范围内。

图6 加热13 min后整体总位移

4 总结

本文对螺栓在高频感应加热条件下的磁场、温度场、应力场进行耦合分析，得到如下结论：

（1）螺栓温度场由内向外移动，随加热时长再延轴向扩散，最高温度位于螺栓内径中部约182.6℃，小于材料的最终热处理温度，材料不会出现局部屈服。

（2）螺帽最高温度位于螺帽内径底部，在感应加热过程中最高约40℃，满足技术规格书要求。

（3）感应加热过程中螺栓应力在初始阶段增长较快，应力变化趋势与温度趋势成正比，最终热应力稳定在124 MPa。

（4）螺栓伸长量延轴自下而上逐渐增加，在螺母处达到最大值，到加热13 min时螺栓能达到应有伸长量1.23 mm。

通过有限元分析软件，对某核电厂汽轮机高压缸中分面螺栓建立三维有限元模型，计算分析出高频感应加热过程中螺栓内部温度分布、应力变化和伸长量规律，与实际工况相吻合，验证了有限元分析方法的合理性和正确性，为后续高频感应加热器的参数优化和规范制定提供理论支持和参考。