加熱器及除氧器接管許用外力和外力矩的計算

余雛麟，鄧 科，季敏東

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川成都611731）

加熱器及除氧器接管許用外力和外力矩的計算

余雛麟，鄧 科，季敏東

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川成都611731）

在美國閉式加熱器標準和除氧器標準中，給出的接管最大允許外力及外力矩公式存在差異。針對這些問題，以某臺換熱設(shè)備為計算對象進行對比，提出了在采用國外標準時，需注意計算公式方面的差異。同時，對于接管安全性校核，在給定所有外力分量的情況下，采用了有限元應(yīng)力分析方法，對標準的適用性進行驗證。

加熱器；除氧器；接管；外力；外力矩；計算；校核；探討

0 概 述

閉式給水加熱器和除氧器是電站輔機系統(tǒng)中重要的設(shè)備［1］。通常情況下，當加熱器或除氧器運行時，在接管處會受到外力和外力矩。在我國標準GB150和固定式容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中，并沒有明確給出殼體上接管承受外加力和力矩時的校核方法。一般對加熱器接管最大允許的外力和外力矩計算，均參照美國換熱器協(xié)會的閉式給水加熱器標準（簡稱加熱器標準）［2］，目前最新版本是第八版；而對除氧器接管最大允許的外力和外力矩計算，則參照美國換熱器協(xié)會的除氧器標準（簡稱除氧器標準），目前最新版本是第九版［3］。

盡管加熱器標準和除氧器標準接管外載計算章節(jié)的引言中提到的計算公式均源于WRC107公報，但具體的計算公式卻并不一致。并且，國內(nèi)外文獻中，也沒有這兩部標準中接管載荷公式的推導(dǎo)過程，這給設(shè)計者的應(yīng)用帶來盲目性。為此，本文首先分別簡要介紹了加熱器和除氧器標準中關(guān)于接管外載的計算公式。然后以某臺除氧器的計算為例，采用兩部標準分別進行計算，綜合對比兩部標準的異同，并給出應(yīng)用這兩部標準計算接管外力和外力矩時需注意的事項。此外，針對工程中經(jīng)常遇到的給出接管三個方向的力和力矩的情況，結(jié)合實例計算，采用有限元應(yīng)力分析方法，探討了加熱器標準和除氧器標準中接管外載計算是否適用的問題。

1 標準中接管許用外載計算公式比較

1.1 按加熱器標準進行計算

在加熱器標準中，關(guān)于接管外載計算的步驟有如下5步。

（1）首先計算β和γ。

（2）從標準中給出的相應(yīng)圖表中，查取α、Σ和Δ。

（3）計算內(nèi)壓引起的應(yīng)力σ。

如果σ比Sa大，則用Sa代替σ。

（4）計算FRRF，MRCM和MRLM。

（5）根據(jù)計算得到的FRRF，MRCM和MRLM值得到FRF和MRM，并以MRM為橫坐標，F(xiàn)RF為縱坐標繪制出允許力和力矩三角形，只要合力和合力矩在三角形內(nèi)，則認為接管在此外力和外力矩作用下是安全的。

在式（1）～（6）中：β和γ為無量綱因子；ro為接管外半徑，mm；Rm為殼體平均半徑，mm；T為殼體壁厚，mm；Sa為ASMEⅧ一篇中殼體材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；Sy為設(shè)計溫度下殼體材料的屈服強度，MPa；σ為設(shè)計壓力引起的應(yīng)力，MPa；FRRF為最大允許的徑向力，N；MRCM為最大允許的環(huán)向合力矩，N·m；MRLM為最大允許的徑向合力矩，N·m；FRF為最大允許的合力，N；MRM為最大允許的合力矩，N·m。加熱器和除氧器接管許用外載計算的模型，如圖1所示。

1.2 按除氧器標準進行計算

在除氧器標準中，關(guān)于接管外載計算的步驟也有如下5步。

（1）首先計算β和γ。

圖1 加熱器和除氧器接管許用外載計算模型

（2）從標準中給出的相應(yīng)圖表中，查取α、Σ和Δ。

（3）計算內(nèi)壓引起的應(yīng)力σ。

（5）根據(jù)計算得到的FRRF，MRCM和MRLM值得到FRF和MRM，并以MRM為橫坐標，F(xiàn)RF為縱坐標繪制出允許力和力矩三角形，只要合力和合力矩在三角形內(nèi)，則認為接管在此外力和外力矩作用下是安全的。

式（7）～式（12）中符號的意義同式（1）～式（6）。

為比較加熱器標準和除氧器標準關(guān)于接管允許外力和力矩的計算公式的異同，此處以工程中實際設(shè)計的某臺除氧器為例進行比較，該除氧器的基本參數(shù)，如表1所示。筒體材料為Q345R，接管材料為16MnⅢ。根據(jù)高加和除氧器標準，計算所得的最大允許力和力矩，如表2所示。

從表2可知，對于同樣的開孔圓筒，按加熱器和除氧器標準給出的計算結(jié)果卻是不同的。在加熱器和除氧器標準中，關(guān)于接管外力和外力矩的計算公式和計算過程的差異，主要表現(xiàn)在兩方面：

分別按加熱器標準和除氧器標準計算時，計算σ和MRCM時的公式不一致；

表1 除氧器的基本設(shè)計參數(shù)

表2 兩部標準中關(guān)于接管力和力矩的計算對比

按加熱器標準，計算因內(nèi)壓引起的應(yīng)力σ后，需要與Sa比較，以確定最終的取值，而除氧器標準計算時，則不需此項的比較。

1.3 公式的應(yīng)用

由于加熱器和除氧器標準的接管載荷計算公式，均來源于WRC107公報，雖然標準中沒有給出公式應(yīng)用時的注意事項和限制［4-8］，但筆者認為，在實際應(yīng)用時還應(yīng)該注意幾個方面的問題。

（1）公式僅適用于圓筒上的徑向接管，不適用于封頭上的接管，且不考慮其它邊緣效應(yīng)對接管的影響。因此，接管與封頭切線的距離或與殼體端部的距離需大于Rm。

（2）計算時，筒體壁厚的取值，應(yīng)為筒體的有效厚度。接管外徑的取值，應(yīng)為接管加強段的外徑。

（3）在加熱器標準中，Sa為一個與安全系數(shù)有關(guān)的值，而在美國ASME標準和中國標準中，所選的抗拉強度安全系數(shù)并不一致。

（4）如果接管同時受橫向推力和扭矩，在加熱器標準和除氧器標準中，未明確規(guī)定公式是否適用。

通過這幾方面的分析，在選用加熱器標準和除氧器標準進行設(shè)計時，不應(yīng)該盲目套用接管外力和外力矩的計算公式。

2 標準公式的適用性

在實際工程中，經(jīng)常會遇到這樣一種情況，即設(shè)計院會給出接管處受到的三個方向的外力和外力矩。此時，應(yīng)考慮是否采用加熱器標準或除氧器標準中的接管計算方法進行評定。此處，仍以表1中除氧器的設(shè)計參數(shù)為例，假設(shè)接管受到三個方向的力和力矩，其分量數(shù)值，如表3所示。除氧器接管的允許力和力矩三角形，如圖2所示。在圖2中，平行于筒體的軸線代表X軸，垂直紙面向里延伸的軸線代表Y軸，剩下另一個帶箭頭的軸線代表Z軸。力和力矩的方向以右手螺旋法則確定。為驗證結(jié)果的正確性，同時采用有限元的應(yīng)力分類法進行對比。

表3 除氧器接管受到的外力分量

圖2 帶接管的除氧器幾何模型

將接管橫向推力按力的平移法則，由接管處平移至筒體上，得到的X方向的等效力矩MXEQ和Y方向上的等效力矩MYEQ，其數(shù)值，如表4所示。力和力矩的坐標點，如圖2所示。按加熱器和除氧器標準進行計算，所得最大允許力和力矩三角形，如圖3所示。

表4 接管處等效力和力矩

圖3 加熱器和除氧器接管允許力和力矩三角形

利用有限元驗證時，采用ansys軟件，單元為20節(jié)點solid182，邊界條件為：約束筒體一個端面的軸向位移，約束筒體軸對稱面上的法向位移，同時約束筒體軸對稱面一點的切向位移，以限制模型的剛體位移，在筒體另一個端面施加軸向拉力，接管端面施加三個方向的力和力矩，在外載荷作用下的應(yīng)力強度云圖，如圖4所示。

圖4 接管在外載作用下的應(yīng)力云圖/MPa

采用JB4732-1995的應(yīng)力評定方法，選取6條路徑進行應(yīng)力評定，路徑的位置示意圖，如圖5所示。載荷系數(shù)K取為1。評定時，兩種材料交界面處的路徑的許用應(yīng)力值，以具有較小許用應(yīng)力的材料為準。評定的結(jié)果，如表5所示。

圖5 應(yīng)力評定路徑示意圖

從圖3可知，接管外力分量等效后的點也位于允許的力和力矩三角形范圍內(nèi)，這說明采用加熱器和除氧器標準進行判斷，結(jié)果是安全的。從表5可知，各條路徑上的應(yīng)力分類結(jié)果，均滿足JB4732的要求，這也驗證了接管的安全性。值得說明的是，加熱器和除氧器標準中并沒有計及扭矩和推力，這可能與扭矩和推力對計算結(jié)果的影響較小有關(guān)?？紤]到有限元法進行評定時，不僅需要大量時間而且其結(jié)果還取決于分析者的水平，而采用標準進行計算，不僅快速，而且公式都是給定的，不會產(chǎn)生較多的不確定因素?，F(xiàn)僅以一個實例進行了對比計算，但在加熱器標準和除氧器標準中，給出評定接管在外載荷作用下安全性的簡化思路，卻是值得借鑒的，對進一步探究公式的應(yīng)用場合和應(yīng)用范圍具有重要的意義。

表5 代表路徑上的應(yīng)力線性化結(jié)果 （MPa）

3 結(jié) 語

在美國閉式加熱器設(shè)計標準和除氧器設(shè)計標準中，針對給出的接管最大允許外力和外力矩計算公式存在差異的問題，結(jié)合工程實例，指出在應(yīng)用這些公式時需要注意的問題。同時，工程中經(jīng)常遇到需校核接管在給定所有外力分量下安全性的情況，采用有限元應(yīng)力分析方法，對標準的適用性進行了驗證。

［1］季敏東.超臨界600MW高加自主開發(fā)設(shè)計［J］.東方鍋爐，2009（4）：1-5.

［2］Standards for closed feed water heaters［S］.Heat exchange institute，Inc.

［3］Standards and typical specifications for tray type deaerators［S］. Heat exchange institute，Inc.

［4］趙栓柱.談WRC107和WRC297公報在化工設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)備與管道，2001，38（3）：5-13.

［5］秦叔經(jīng)，王琦.局部應(yīng)力計算方法的對比研究（上）［J］.化工設(shè)備與管道，2008，45（4）：7-15.

［6］秦叔經(jīng)，王琦.局部應(yīng)力計算方法的對比研究（下）［J］.化工設(shè)備與管道，2008，45（5）：6-12.

［7］高翔.外載荷作用下局部應(yīng)力的有限元分析［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31（2）：23-26.

［8］郭小聯(lián)，孔帥.WRC107總應(yīng)力強度計算的適用性研究［J］.壓力容器，2010，28（1）：6-11.

Nozzle Allowed External Force and Moment Calculation of Closed Feed Water Heater and Deaerator

YU Chu-lin，DENG Ke，JI Ming-dong
（Dong Fang Boiler Group Co.，Ltd.，Dongfang Electric Group，Chengdu 611731，Sichuan，China）

There is a difference between closed feed water heater standard and deaerator standard on nozzle allowed external force and moment formula in the U.S standard.As to the problem，a heat exchanger is used as the analysis object.The results are compared.Problems that need to pay attention to when applying the above formula is given，when use foreign standard.Meanwhile，for the commonly encountered situation that all external force and moment components are given，F(xiàn)EM is used to check the applicability of the standards.

heater；deaerator；nozzle；external force；external moment；calculation；calibration；exploration

TK223.5

：A

1672-0210（2015）01-0001-04

2014-10-29

余雛麟（1986-），男，博士，工程師，從事?lián)Q熱器設(shè)備的設(shè)計和研究工作。