熔鹽冷卻器管板有限元強度校核

趙晟辰

摘? ? 要：應(yīng)用有限元分析技術(shù)，對熔鹽冷卻器管板在設(shè)計溫度和壓力載荷作用下進行強度校核。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，分析溫度與壓力載荷對管板的影響，并考慮不同壓力載荷組合的情況。

關(guān)鍵詞：有限元;管板;強度校核

中圖分類號：U664.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The finite element analysis technology is used to check the strength of the molten salt cooler tube plate under the design temperature and pressure load. According to the results of stress calculation， the influence of temperature and pressure load on the tube plate is analyzed， and the combination of different pressure loads is considered.

Key words： Finite element analysis; Tube plate; Strength verification

1? ? 前言

熔鹽冷卻器屬于管殼式換熱器，管板是熔鹽冷卻器的主要零部件之一。熔鹽冷卻器的管板設(shè)計是否合理，對于容器使用安全、降低成本和節(jié)約材料等方面影響巨大。對于熔鹽冷卻器的管板，其溫度和壓力載荷為管板的主要載荷類型。管板的失效模式中，由于溫度和壓力引起的熱應(yīng)力破壞為其主要的失效模式，考慮溫度和壓力載荷對管板的影響意義重大。

ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范給出了管板設(shè)計的計算方法。對管板作出一定的簡化，將管板視為承受均勻分布的載荷并承受管孔削弱作用的當(dāng)量圓形厚板。然后根據(jù)載荷的類型、邊界條件、管束的性能參數(shù)等確定管板的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力;而在實際應(yīng)用中，管板除承受溫度載荷作用外，還承受殼程壓力、管程壓力兩種載荷的作用;此外，包括螺栓預(yù)緊力以及密封圈壓力等都會對管板受力及其應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。

本文采用三維有限元分析的方法，綜合考慮溫度和壓力載荷的作用，對某型熔鹽冷卻器上部管板的強度進行分析校核，并且對不同壓力載荷組合情況下管板的應(yīng)力分布進行分析計算。

2? ?熔鹽冷卻器管板結(jié)構(gòu)

某型熔鹽冷卻器為立式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其上管板共有1 108根換熱管，換熱管在管板上對稱分布，上方為一球形封頭;管板通過一根φ426x30的補強接管與球形封頭相連，參見圖2、圖3。

3? ?熔鹽冷卻器管板的有限元分析

熔鹽冷卻器管板計算規(guī)范采用ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范。在有限元分析，對管板建模時，為了簡化計算只考慮管板、殼體、管束、接管及封頭的一部分，密封圈壓力采用等效均布壓力，并簡化螺栓預(yù)緊力。由于熔鹽冷卻器結(jié)構(gòu)是左右對稱的，所以分析模型只取該結(jié)構(gòu)的二分之一，換熱管管束取至管板下方50 mm。

分析采用ANSYS workbench軟件，封頭部分、管板外側(cè)、接管部分采用20節(jié)點六面體單元，換熱管管束及其它部分采用10節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格。

在熔鹽冷卻器管板模型的對稱面上施加對稱邊界條件，即這些對稱面上的法線位移為零;換熱管管束一端約束，另一段連接在管板上，即換熱管的一段被約束其軸向的平移和位移;管板與管束為焊接，由于模型中換熱管較多，將連接處簡化，視換熱管與管板連為一體;將密封圈壓力加在密封面上;溫度載荷、殼程壓力、管程壓力按照實際工況添加。

熔鹽冷卻器管板結(jié)構(gòu)的三維模型，見圖4、圖5;有限元網(wǎng)格模型，見圖6。

熔鹽冷卻器及管板結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管板外徑1680 mm、管板厚度270 mm、接管內(nèi)徑430 mm;管板、封頭、管束及接管的材料參數(shù)、計溫度和壓力條件見表1。

4? ?結(jié)果分析

經(jīng)過有限元應(yīng)力計算：整個熔鹽冷卻器管板在溫度和壓力載荷作用下的等效應(yīng)力云圖，如圖7、圖8所示;等效應(yīng)變?nèi)鐖D9所示;整體變形如圖10所示，可見在壓力作用下管板變形最大在管板中心部位，約為0.31 mm。

由圖7可知：管板最大等效應(yīng)力發(fā)生在管板下部接管連接處中線位置，最大應(yīng)力為77.13 MPa。因為該管板和接管連接處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，導(dǎo)致因滿足變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的局部應(yīng)力，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，其計算應(yīng)力包含一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。并且此處的溫度梯度較大，存在熱應(yīng)力;另外管板上部與接管連接處的應(yīng)力也較大，此處也是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)與熱應(yīng)力的疊加造成。

為進一步分析應(yīng)力構(gòu)成，對若干位置做應(yīng)力分類線，如圖11、圖12所示。

根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范中應(yīng)力線性化分解的要求，應(yīng)力線性化分類評定結(jié)果見表2。其中，S為對應(yīng)的材料許用應(yīng)力、PL為局部薄膜應(yīng)力、Pb為一次局部彎曲應(yīng)力、Q為二次應(yīng)力、F為峰值應(yīng)力。

D-D、E-E處應(yīng)力分類結(jié)果，如圖13、圖14所示。

5? ?結(jié)論

從熔鹽冷卻器管板的有限元計算結(jié)果可知，溫度和壓力載荷對管板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布存在影響，從應(yīng)力分布圖可以看出：

（1）有限元模型對計算結(jié)果存在影響，模型越接近實際則計算結(jié)果越能夠真實反應(yīng)實際應(yīng)力分布狀況;

（2）溫度載荷對管板產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力;

（3）從整個熔鹽冷卻器管板來看，最大應(yīng)力不是在管板上，而是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)的管板與接管連接處。

參考文獻

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