可變彈簧支架在凝汽器熱井上的應用

李子鈞

（杭州汽輪輔機有限公司，浙江杭州310022）

可變彈簧支架在凝汽器熱井上的應用

李子鈞

（杭州汽輪輔機有限公司，浙江杭州310022）

采用有限元方法，模擬了各種工況下彈簧對凝汽器的支承作用，試圖將可變彈簧支吊架應用到凝汽器的熱井上，并討論了這種思路的可行性。通過對比，分析了使用彈簧支吊架后的應力變化，展示了彈簧對降低接管口和支座局部應力的作用，證明了設計的可行性。

凝汽器；熱井；有限元；可變彈簧；支架；應力；設計；應用

0 概 述

較大換熱面積的凝汽器，通常需配置較大的熱井。因熱井設備高度較高，運輸不方便，為了解決運輸問題，熱井可在電廠進行現(xiàn)場拼焊。但對于制造加蓋ASME U鋼印的凝汽器，在現(xiàn)場拼焊時，必須由有資質(zhì)的焊接人員在現(xiàn)場完成。同時，還需AI（ASME授權(quán)檢驗員）到場，所以，熱井在現(xiàn)場拼焊的成本也很高。為解決這些問題，設計了可拆卸熱井。熱井的布置形式，如圖1所示。熱井為方形腔體，熱井與凝汽器殼體用2個法蘭接管連接，熱井下方布置了4個彈簧支架。因增加了彈簧支承，改變了凝汽器本體支座上的載荷情況?，F(xiàn)采用有限元方法，討論了增加彈簧支承所引發(fā)的問題，并提出了解決措施。

圖1 可拆卸熱井

1 可變彈簧的使用方法

在管線的支承設計中，各類彈簧的使用是很常見的。在各種工況下，可變彈簧支座均能有效地支撐管線。凝汽器運行時會因受熱膨脹而產(chǎn)生位移，在熱井上加裝可變彈簧支座，也是出于相同的考慮。

根據(jù)可變彈簧支吊架的選用方法［1］，從彈簧的工作荷載、運行的位移量和位移方向，以及管道空間位置，確定彈簧的形式、工作范圍、彈簧支吊架編號和安裝荷載?？勺儚椈傻倪x用原則是：在彈簧能夠承受工作荷載，并滿足荷載變化的前提下，要求選用較小規(guī)格的彈簧。

可變彈簧支吊架的選用，應依據(jù)JB/T8130.2［2］的要求進行選擇。

（1）根據(jù)彈簧支架固定部位的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合管道空間位置和各型彈簧的使用特點，確定彈簧支吊架的形式。

（2）根據(jù)運行時彈簧的工作荷載、工作位移量和位移方向，按照荷載位移選用表，確定彈簧吊架編號和安裝荷載。

在運行中，如管道的位移向上，一般可在選用表的中線與粗線之間，查得彈簧的工作荷載。再按位移量，可查出安裝荷載。如果運行時管道的位移向下，可在選用表的中線與下粗線之間，查得彈簧的工作荷載，同樣，可按位移量查出安裝荷載。安裝荷載既能從選用表中查得，也可按式（1）計算。

安裝荷載=工作荷載+彈簧剛度×位移量 （1）

注：當位移向上時位移量取正值，位移向下時取負值。

（3）選用可變彈簧時，無論管道位移向上還是向下，選用的工作荷載和安裝荷載應在選用表的上下兩粗線之間。當位移較小時，工作荷載和安裝荷載可能出現(xiàn)在中線與某粗線之間。可變彈簧支吊架的荷載變化率不應超過25%。荷載變化率按式（2）計算。

荷載變化率=｜（工作荷載-安裝荷載）/（工作荷載）｜×100%≤25% （2）

2 選用彈簧時需考慮的問題

對于支承管線的彈簧計算，采用式（1）、式（2）計算即可。若按照ASME［3，4］要求，考慮在凝汽器底部安裝彈簧，那么殼體與接管的連接處就會產(chǎn)生應力，所以需校核支座及接管周邊的局部應力?？衫糜邢拊浖?，計算該處的局部應力，求得應力分布云圖。結(jié)合ASME標準中的計算方法，計算高應力的區(qū)域范圍，確保設備的運行安全。

3 具體算例

以某臺凝汽器的設計為例，討論有限元的使用方法及建模問題。通常情況下，凝汽器的熱井與凝汽器的拼裝焊接，如圖2所示。為了便于運輸及減少現(xiàn)場焊接工作量，將熱井改為可拆卸熱井。為了分析彈簧對熱井及接管應力的分布情況，采用有限元方法，對凝汽器及熱井進行了建模。建立的凝汽器有限元模型，如圖3所示。凝汽器殼體由鋼板卷制而成，所以，采用Abaqus［5］中的S4R/S3單元，模擬凝汽器的外殼。模型單元總數(shù)191 878，節(jié)點數(shù)為190 216；用Spring單元模擬4根彈簧。采用MASS單元補足換熱器的重量。

圖2 熱井與凝汽器的拼裝焊接

圖3 凝汽器的有限元模型

3.1 無彈簧支架時熱井與接管的應力計算

不使用彈簧支架，直接將熱井與接管連接，進行應力分布計算。凝汽器總重量為150 t，熱井注入2/3的水，水的質(zhì)量為16.7 t，另外需附加40℃的水溫差（安裝時室溫20℃，運行時水溫60℃）。約束4個支座豎直方向的位移，約束進氣口方向的位移，約束導向架垂直方向上的位移。熱井處于懸掛狀態(tài)。采用abaqus求解器求解。計算結(jié)果，如圖4、圖5、圖6所示，圖4展示的是位移，總位移約10 mm，熱井向下的位移較明顯。圖5、圖6為應力分布狀況，最大顯示應力為120 MPa，各圖中深色部分為超過此值的區(qū)域。接管及支座周圍的應力有部分超過此值，若再加上殼體工作時的外部壓力，接管及支座周圍會出現(xiàn)更高的應力點，在凝汽器上出現(xiàn)較高的局部應力，對運行是不利的。有時，為了消減局部應力，不得不增加凝汽器殼體的壁厚，提高了設備的制造成本。

圖4 無彈簧支座時的位移量

圖5 無彈簧支座時支座應力分布（顯示至120 MPa）

圖6 無彈簧支座時接管應力分布（顯示至120 MPa）

3.2 增加彈簧支架后熱井與接管的應力計算

仍采用已建模型，并增設彈簧組后進行應力計算。首先，為熱井選一組彈簧。（1）增設彈簧組是為了消減連接接管周圍的應力，彈簧組應能承受熱井的自重及熱井內(nèi)部介質(zhì)的重量。熱井重約8.9 t，熱井注入2/3的水，水的質(zhì)量為16.7t。彈簧應承受的總重量為W=8.9 t+16.7 t=25.6 t。（2）選用4根彈簧，每根彈簧的運行載荷F=W/4=6.4 t。依據(jù)彈簧的選取原則，從有關標準中選取20號彈簧，其剛度為K=1108.157 N/mm，彈簧支架為TD30F20。（3）估算彈簧的安裝載荷。因熱脹引起的位移約2.2 mm，彈簧的安裝載荷應力Fi=6.4 ×9800-1108.157×2.2=60282.1N。（4）彈簧的變化率需小于25%。（5）按計算所得的安裝載荷加位移至每根彈簧上。（6）調(diào)整彈簧的實際載荷。從計算中得彈簧載荷實際平均值是6.3 t而不是6.4 t，因此，必須重新調(diào)整彈簧的安裝載荷，并重新計算。（7）重新驗算彈簧載荷，此時，每根彈簧的平均載荷約為6.41 t。彈簧變化率依然小于25%，驗算完成。

3.3 設備冷態(tài)時的承載

設備安裝完成后，此時熱井內(nèi)沒有水，也不會有熱脹，熱井的一部分重量依然掛在接管上。每根彈簧的支撐力平均為為6.1 t，熱井空重為8.9 t，每根接管上承受的重量為（6.1×4-8.9）/2=7.75 t，載荷還是比較大的。冷態(tài)時的位移及應力分布，如圖7、圖8、圖9所示，熱井向下位移量最大為3 mm，支座和接管附近的局部應力超過120 MPa。

圖7 冷態(tài)時凝汽器向下的位移

圖8 冷態(tài)時支座的應力分布（顯示至120 MPa）

圖9 冷態(tài)時接管的應力分布（顯示至120 MPa）

3.4 設備熱態(tài)時的承載

運行時，熱井注入了2/3的水，凝汽器的溫度從20℃上升至60℃。此時，接管上的載荷幾乎為零。如圖10、圖11、圖12所示。熱井向下的位移為3.0 mm，支座局部應力超120 PMa的區(qū)域較多，而接管應力沒有超過此值。由于熱井及水的重量由彈簧支座承載，彈簧附近的局部應力較高，應力分布情況，如圖13所示。此時，有部分區(qū)域的應力超過120 MPa。

圖10 熱態(tài)時產(chǎn)生的位移

圖11 運行時支座應力的分布（顯示至120 MPa）

圖12 運行時接管應力的分布（顯示至120 MPa）

圖13 運行時彈簧支架附近的應力分布（顯示至120 MPa）

3.5 各種狀態(tài)下的應力變化

凝汽器長時間處于運行工況，故將無彈簧時與使用彈簧時的應力分布進行對比。對支座的應力分布，如圖5、圖8、圖11所示。應力由小到大的排列次序為：冷態(tài)時最小，其次有彈簧時的工作狀態(tài)，最大的是無彈簧時。冷態(tài)時，由于彈簧支撐力分擔了凝汽器本體上支座的部分載荷，故支座周邊的應力較小。正常運行時，彈簧支撐了熱井及內(nèi)部水的全部重量，所以，此時支座的載荷小很多，應力也就小些。對于接管的應力分布，由圖6、圖9、圖12可知，應力由小到大的排序，依次為運行時最小，其次冷態(tài)，最大也是無彈簧時。運行時，接管基本沒有載荷。冷態(tài)時，接管承受7.75 t壓力。不用彈簧時，每根接管將承受12.8 t的拉力，這個載荷將長時間作用在接管上，限制了凝汽器的使用壽命。增加彈簧支座后，彈簧支承區(qū)域內(nèi)的局部應力較大，所以，應在彈簧與熱井接觸區(qū)域加焊墊板，可以有效地消減局部應力。

通過分析可知，這類熱井在增加彈簧支承后，接管和支座附近的應力明顯降低，設備的安全性得到保證。

4 結(jié) 語

討論了可拆卸熱井的設計問題，將管線上使用的可變彈簧應用到凝汽器設備上，并討論這種思路的可行性。提出了設備上使用可變彈簧的方法，利用有限元技術，對彈簧所引起的局部應力變化進行了分析。應用軟件對應力進行了計算，并驗證了計算結(jié)果。通過可變彈簧的應用，降低了支座及管口附近區(qū)域的應力，提高了凝汽器的使用壽命。

［1］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社發(fā)行，2003.

［2］JB/T8130.2-1999，可變彈簧支吊架［S］.

［3］ASME Boiler and Pressure Vessel Code［S］，Section，VIII，Div.1

［4］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，［S］Section，VIII，Div. 2 Alternative Rules.

［5］Abaqus/CAE用戶手冊［EB］，法國達索公司.

簡訊

中俄合作項目將催生世界最大火電站

據(jù)俄新社報道，中國國家電網(wǎng)公司對與俄羅斯國際統(tǒng)一電力系統(tǒng)公司進行的聯(lián)合項目進行了評估，該項目建成后，成為世界上最大的火力發(fā)電站，該電站將使用阿穆爾州葉爾科夫齊煤田的煤炭資源，項目總造價達150億美元。據(jù)阿穆爾通訊社報道，該煤炭發(fā)電站將成為俄羅斯最大0000的發(fā)電站，發(fā)電量將達到8千兆瓦，超過世界上最大的火電站蘇爾古特第二火電站（5.6千兆瓦）和臺灣的臺中熱電站（5.5千兆瓦）。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第196期

The Application of Variable Spring Hanger in Condenser Hot well

LI Zi-jun
（Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.，Ltd.Hangzhou 310022，Zhejiang，China）

Finite element method has been used to simulate the supporting effect of the spring on the condenser in various working conditions.The idea that variable spring support is applied to the design of condenser hot well has been discussed.Through comparison，stress variation of condenser using spring hanger has been analyzed，the effect of spring on the stress reduction of the nozzle and support local stress has been shown.The feasibility of the design has been proved.

condenser；hot well；finite element；variable spring hanger；hanger；stress；design；application

TK264.1+1

：B

1672-0210（2015）01-0023-05

2014-12-24

李子鈞（1981-），男，畢業(yè)于上海理工大學，碩士研究生。從事汽輪機輔機方面的設計研發(fā)工作。