1 前言
汽水分離器的工作原理:大量含水的蒸汽進(jìn)入汽水分離器,并在其中以離心向下傾斜式運(yùn)動(dòng);所夾帶的水分由于速度降低而被分離出來(lái);被分離的液體流經(jīng)筒體下部疏水閥排出,干燥清潔的蒸汽從分離器上部的蒸汽出口排出。為使含水蒸汽在進(jìn)入分離器內(nèi)能離心向下運(yùn)動(dòng),蒸汽入口接管采用切向斜接結(jié)構(gòu),這樣蒸汽進(jìn)來(lái)時(shí)所夾帶的水滴就能沿內(nèi)壁螺旋向下運(yùn)動(dòng),蒸汽由于密度小,則向上運(yùn)動(dòng),達(dá)到汽水分離的效果。蒸汽進(jìn)口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。
圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
該汽水分離器主要技術(shù)參數(shù)如表1。
表1 設(shè)備主要參數(shù)
注:1.本文僅分析設(shè)備啟動(dòng)工況,暫不考慮疲勞。
2.兩個(gè)蒸汽進(jìn)口接管與外部管道作用的力和力矩由設(shè)計(jì)院提供,其數(shù)值如表2。
表2 接口產(chǎn)生的力和力矩的大小
在汽水分離器運(yùn)行安全性的分析中,主要是蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問(wèn)題,在GB150.3-2011上尚無(wú)此類(lèi)接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算方法,為此采用Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。汽水分離器從264℃升溫至345℃,按照1.57℃/min的溫升速率計(jì)算,可知,啟動(dòng)升溫時(shí)間為51.5min,即3090s。
由于本文主要研究汽水分離器蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題,筒身模型選取長(zhǎng)度為2000mm,該長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)JB/T4732-1995(2005年確認(rèn))所規(guī)定的局部應(yīng)力區(qū),其他部位的結(jié)構(gòu)對(duì)此區(qū)域影響可忽略不計(jì)。在此基礎(chǔ)上,建立模型,進(jìn)行分析。
2 應(yīng)力分析過(guò)程
2.1 結(jié)構(gòu)分析
機(jī)械載荷是分析內(nèi)壓及蒸汽入口處的推力和力矩對(duì)切向斜接結(jié)構(gòu)的作用,考察其一次局部薄膜應(yīng)力是否滿(mǎn)足要求。計(jì)算時(shí)用186號(hào)單元(此單元的特點(diǎn)是六面體模型,20個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度,可以有效的分析塑性應(yīng)變和蠕變),此單元結(jié)構(gòu)在某些特殊位置會(huì)退化成四面體單元,非常適合切向斜接管根部區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的分析。
建立有限元模型,如圖2所示。單元數(shù)量為284808,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為359600。
圖2 有限元模型
對(duì)有限元模型加載設(shè)計(jì)壓力、接管推力及力矩等機(jī)械載荷,并計(jì)算。得到汽水分離器應(yīng)力分布和應(yīng)力分析路徑,如圖3所示(由于蒸汽入口切向斜接結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在切向斜接結(jié)構(gòu)內(nèi)壁處):
圖3 汽水分離器應(yīng)力分布和應(yīng)力分析路徑
2.2 溫度場(chǎng)分析
在加載溫度場(chǎng)時(shí),選用90號(hào)單元,該單元有六面體20個(gè)結(jié)點(diǎn)單元,此單元亦可退化成四面體單元,適用于溫度場(chǎng)。熱應(yīng)力是當(dāng)溫度發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)的自由熱變形被外部約束限制時(shí)所引起的應(yīng)力,屬于二次應(yīng)力,在加載時(shí)要選用工作溫度。因此,設(shè)置蒸汽接管及筒體的外壁參考溫度為264℃,蒸汽入口及筒身內(nèi)壁溫度為345℃。蒸汽和接管內(nèi)壁發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)的確定可以根據(jù):
λ—水蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);
x—接管直徑,m;
Rex—以x為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù),Rex=x·u/v;
u—流體流速,m/s;
v—流體動(dòng)力粘度,m2/s;
pγ—普朗特系數(shù)。
根據(jù)該公式,計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)的平均值約為:
對(duì)流換熱的熱量由內(nèi)壁向外壁傳導(dǎo),由于設(shè)備外壁設(shè)置有保溫層,因此,在加載溫度場(chǎng)時(shí),認(rèn)為外壁是絕熱的。在整個(gè)換熱及導(dǎo)熱的過(guò)程中,內(nèi)外壁以不同的速率升溫,通過(guò)選取設(shè)備在啟動(dòng)階段中各時(shí)刻的內(nèi)、外壁溫度,可以繪制該工程中內(nèi)外壁的溫度變化曲線,以此作為汽水分離器蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)的最大值應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)刻的判斷依據(jù)。圖4為汽水分離器啟動(dòng)階段每隔30s取樣一次,所獲的設(shè)備內(nèi)外壁溫度變化曲線。
圖4 汽水分離器內(nèi)外壁溫度
由圖4可以看出內(nèi)壁在開(kāi)始階段升溫迅速,然后趨于平緩;外壁升溫連續(xù)增加,最后不斷接近于內(nèi)壁溫度,在第3090s時(shí)溫差僅為0.218℃。而在150s時(shí)汽水分離器內(nèi)、外壁溫差最大,此時(shí)的溫差約為48.881℃,即設(shè)備應(yīng)力最大值出現(xiàn)在該時(shí)刻。
2.3 熱固耦合分析
熱固載荷主要分析機(jī)械載荷和溫度載荷對(duì)設(shè)備切向斜接結(jié)構(gòu)的作用,考察其二次應(yīng)力是否滿(mǎn)足要求。分析中,選用熱固耦合98號(hào)單元,并采用工作溫度和壓力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算中加熱蒸汽及切向斜接管內(nèi)壁、筒體內(nèi)壁之間施加對(duì)流換熱系數(shù)1000W/(m2·K)。
在分離器的啟動(dòng)階段,雖然內(nèi)壓不變,但是在升溫過(guò)程中,由于不同時(shí)刻的切向斜接結(jié)構(gòu)所受熱應(yīng)力是變化的,因此,在整個(gè)升溫階段需要保證每一時(shí)刻該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均能滿(mǎn)足要求。為此,在計(jì)算過(guò)程中,每隔30s對(duì)瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果進(jìn)行一次取樣。整理得到的所有取樣結(jié)果,歸納出以下幾個(gè)重要的分界點(diǎn)。升溫30s時(shí),汽水分離器在機(jī)械載荷和熱載荷共同作用,應(yīng)力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在切向斜接管外壁根部,如圖5所示。
圖5 設(shè)備在30s時(shí)應(yīng)力分布云圖
從30s到1200s之間,應(yīng)力最大點(diǎn)位置未發(fā)生變化,應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)是先增大后減小,在150s時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)了最大值168MPa。校核啟動(dòng)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度是否通過(guò),僅需校核該時(shí)刻的應(yīng)力值即可。
圖6 設(shè)備在150s時(shí)應(yīng)力分布云圖
從1200s到3090s之間,應(yīng)力最大點(diǎn)從在接管區(qū)域的外壁轉(zhuǎn)移到內(nèi)壁,且最大應(yīng)力點(diǎn)數(shù)值不斷增大。在3090s時(shí)刻時(shí),設(shè)備內(nèi)、外壁溫差約0.218℃,熱應(yīng)力幾乎為零。
圖7 設(shè)備在1200s時(shí)應(yīng)力分布云圖
圖8 設(shè)備在3090s時(shí)應(yīng)力分布云圖
3 結(jié)果評(píng)定
設(shè)備在設(shè)計(jì)工況下,最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在接管區(qū)域的內(nèi)壁,通過(guò)最大應(yīng)力點(diǎn)繪制A路徑(如圖3),得出接管根部的局部薄膜應(yīng)力值為62.33MPa;設(shè)備在啟動(dòng)的整個(gè)階段,應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在150s時(shí)刻,通過(guò)最大點(diǎn)繪制B路徑(如圖6),得出接管根部的二次應(yīng)力的應(yīng)力值為152.9MPa。兩個(gè)危險(xiǎn)路徑的應(yīng)力評(píng)定見(jiàn)表3。
表3 應(yīng)力評(píng)定
所以設(shè)備在啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中切向斜接管根部區(qū)域是安全的。
4 分析結(jié)果
對(duì)以上過(guò)程分析可知得到如下結(jié)論:
1、對(duì)汽水分離器每隔30s進(jìn)行瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果取樣分析可知:設(shè)備在整個(gè)啟動(dòng)階段,由于汽水分離器蒸汽入口切向斜接結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,因此,應(yīng)力最大點(diǎn)必出現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)的外壁或內(nèi)壁;
2、從設(shè)備啟動(dòng)開(kāi)始至設(shè)備運(yùn)行大約1200s過(guò)程內(nèi),由于溫度載荷產(chǎn)生的二次應(yīng)力比機(jī)械載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力大,且二者方向不一致,出現(xiàn)一次應(yīng)力被二次應(yīng)力抵消的現(xiàn)象。因此,這段時(shí)間內(nèi),汽水分離器蒸汽入口部分的應(yīng)力最大點(diǎn)始終出現(xiàn)在切向斜接結(jié)構(gòu)的外壁,但由于汽水分離器內(nèi)、外壁溫差的變化趨勢(shì)為現(xiàn)增大后減小,所以,應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)亦為先增大后減小,且約在150s時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)了最大值。
3、從設(shè)備啟動(dòng)1200s至該階段結(jié)束過(guò)程中,由于汽水分離器內(nèi)、外壁溫差接近,導(dǎo)致溫度載荷產(chǎn)生的二次應(yīng)力比機(jī)械載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力小,且二者方向仍然不同,二次應(yīng)力僅對(duì)一次應(yīng)力部分抵消。因此,汽水分離器蒸汽入口部分的應(yīng)力最大點(diǎn)轉(zhuǎn)移到切向斜接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁,且應(yīng)力最大點(diǎn)數(shù)值變化趨勢(shì)為先減小后增大(即二次應(yīng)力越來(lái)越小,與一次應(yīng)力相抵消的能力越來(lái)越小)。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上文的分析,可以得出汽水分離器蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)在啟動(dòng)過(guò)程中,最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻及所在位置,這不僅對(duì)今后的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù),而且對(duì)工程實(shí)踐亦有一定的參考價(jià)值。
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本文標(biāo)題:汽水分離器啟動(dòng)階段蒸汽入口切向斜接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究
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