冷却器在瞬态工况下温度场和热应力研究

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1、冷却器在瞬态工况下温度场和热应力研究　　摘要：针对冷却器在发电厂寿命期内频繁承受热冲击作用而导致设备出现疲劳破坏问题，用ANSYS建立设备管程结构温度场和应力场分析模型，计算瞬变热冲击工况下结构的热应力，并按ASME标准对设备的疲劳强度进行评定.数值仿真结果可明确冷却器裂纹产生的主要原因和部位，为结构的安全性改进提供参考.关键词：电厂；冷却器；管程；上联通；瞬态温度场；热应力；疲劳破坏中图分类号：TK264.1；TM621.72文献标志码：B引言冷却器的主要结构分为管程和壳程.管程结构由进出口接管、上下联通和换

2、热管等组成；壳程结构由进出口接管、筒身和筒身法兰等组成.冷却器设备换热形式为逆流，管程介质与壳程介质的流动方向相反，壳程介质将管程介质冷却至预期设计温度，保证系统安全运行.出于功能性的要求，冷却器在发电厂寿命期内会频繁承受热冲击作用，主要表现为在短时间内（约数十秒）管程介质温度从环境常温急剧升高近2003℃.这种热冲击是由于注入冷却器的介质温度与冷却器内壁温度相差较大，且瞬态变化剧烈引起的.频繁的热冲击将在高压冷却器内进口接管和连通分配管处产生交变热应力，引起结构疲劳破坏，产生裂纹，严重的会直接导致设备泄漏，影

3、响发电厂正常安全运行.目前，有限元法是发电厂设备在热负荷作用下进行安全性分析的有效方法之一.[12]本文基于冷却器结构设计的需要，根据美国ASME标准[3]，首先采用瞬态温度场分析的有限元法[4]，确定冷却器管程进口管和上联通等部件在瞬态工况下的温度分布；然后通过与温度场相关的耦合场分析（热应力耦合）[5]确定结构在瞬态温度载荷作用下的热应力；最后按照ASME标准，考虑设备实际运行瞬态工况，进行疲劳累计损伤评估[6].1分析方法分析使用的有限元法基本思路为用离散的有限单元体代替连续体进行求解，不涉及微分方程，而

4、是从能量原理出发，对结构进行离散化处理，即把无限自由度连续体的力学计算变成在有限多个节点上某些参数的计算.分析计算主要用到瞬态热分析和耦合场分析.瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数；耦合场分析指有限元分析中考虑2种或多种物理场的交叉作用和相互影响，本文为热应力耦合分析.耦合场的分析有间接耦合法和直接耦合法2种不同的方法.间接耦合法按照顺序进行2次3或更多次的相关场分析，通过将第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实施2种场的耦合.直接耦合法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅通过一次求

5、解就能得到耦合场的分析结果，适用于多个物理场各自响应互相依赖的情况.对于不存在高度非线性相互组作用的情况，如热应力耦合分析，间接耦合法更为有效和方便，可以独立进行2种场的分析.直接耦合法在解决耦合场相互作用、具有高度非线性问题时更具优势，如电路电磁场耦合分析.在工程应用中，热分析得到的温度对结构分析的应力和应变有显著影响，但结构响应对热分析结果影响不大，因此本文用间接耦合法分析热应力.当结构所承受的载荷为交变载荷时，结构中应力的大小和方向也随之有规律地改变，称为交变应力.交变应力在长期作用下引起局部破坏、出现裂

6、纹，裂纹尖端的高度应力集中现象促使裂纹扩展到一定程度后结构发生断裂.压力容器的疲劳属于低周疲劳，分析中用虚拟应力幅度（即假定弹性范围基础上）计算，其值等于弹性模量与应变幅度之积的一半，表示总应变所导致破坏的虚拟应力幅度.确定非恒定载荷作用下的疲劳寿命就是计算结构在不同交变应力幅作用下的累积疲劳损伤.3