1 前言

    汽水分離器的工作原理：大量含水的蒸汽進入汽水分離器，并在其中以離心向下傾斜式運動；所夾帶的水分由于速度降低而被分離出來；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。為使含水蒸汽在進入分離器內(nèi)能離心向下運動，蒸汽入口接管采用切向斜接結(jié)構(gòu)，這樣蒸汽進來時所夾帶的水滴就能沿內(nèi)壁螺旋向下運動，蒸汽由于密度小，則向上運動，達到汽水分離的效果。蒸汽進口結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

    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)備啟動工況，暫不考慮疲勞。

    2.兩個蒸汽進口接管與外部管道作用的力和力矩由設(shè)計院提供，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)力集中問題，在GB150.3-2011上尚無此類接管開孔補強的計算方法，為此采用Ansys軟件對其進行應(yīng)力分析。汽水分離器從264℃升溫至345℃，按照1.57℃/min的溫升速率計算，可知，啟動升溫時間為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)的安全問題，筒身模型選取長度為2000mm，該長度已經(jīng)超過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)對此區(qū)域影響可忽略不計。在此基礎(chǔ)上，建立模型，進行分析。

2 應(yīng)力分析過程

    2.1 結(jié)構(gòu)分析

    機械載荷是分析內(nèi)壓及蒸汽入口處的推力和力矩對切向斜接結(jié)構(gòu)的作用，考察其一次局部薄膜應(yīng)力是否滿足要求。計算時用186號單元（此單元的特點是六面體模型，20個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度，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)點數(shù)量為359600。

圖2 有限元模型

    對有限元模型加載設(shè)計壓力、接管推力及力矩等機械載荷，并計算。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 溫度場分析

    在加載溫度場時，選用90號單元，該單元有六面體20個結(jié)點單元，此單元亦可退化成四面體單元，適用于溫度場。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所引起的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力，在加載時要選用工作溫度。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)生強制對流換熱。對流換熱系數(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為特征長度的雷諾數(shù)，Rex=x·u/v；

    u—流體流速，m/s；

    v—流體動力粘度，m²/s；

    pγ—普朗特系數(shù)。

    根據(jù)該公式，計算出對流換熱系數(shù)的平均值約為：

    對流換熱的熱量由內(nèi)壁向外壁傳導(dǎo)，由于設(shè)備外壁設(shè)置有保溫層，因此，在加載溫度場時，認(rèn)為外壁是絕熱的。在整個換熱及導(dǎo)熱的過程中，內(nèi)外壁以不同的速率升溫，通過選取設(shè)備在啟動階段中各時刻的內(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)時刻的判斷依據(jù)。圖4為汽水分離器啟動階段每隔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時溫差僅為0.218℃。而在150s時汽水分離器內(nèi)、外壁溫差最大，此時的溫差約為48.881℃，即設(shè)備應(yīng)力最大值出現(xiàn)在該時刻。

    2.3 熱固耦合分析

    熱固載荷主要分析機械載荷和溫度載荷對設(shè)備切向斜接結(jié)構(gòu)的作用，考察其二次應(yīng)力是否滿足要求。分析中，選用熱固耦合98號單元，并采用工作溫度和壓力進行計算，計算中加熱蒸汽及切向斜接管內(nèi)壁、筒體內(nèi)壁之間施加對流換熱系數(shù)1000W/（m2·K）。

    在分離器的啟動階段，雖然內(nèi)壓不變，但是在升溫過程中，由于不同時刻的切向斜接結(jié)構(gòu)所受熱應(yīng)力是變化的，因此，在整個升溫階段需要保證每一時刻該結(jié)構(gòu)的強度均能滿足要求。為此，在計算過程中，每隔30s對瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果進行一次取樣。整理得到的所有取樣結(jié)果，歸納出以下幾個重要的分界點。升溫30s時，汽水分離器在機械載荷和熱載荷共同作用，應(yīng)力的最大點出現(xiàn)在切向斜接管外壁根部，如圖5所示。

圖5 設(shè)備在30s時應(yīng)力分布云圖

    從30s到1200s之間，應(yīng)力最大點位置未發(fā)生變化，應(yīng)力最大點數(shù)值變化趨勢是先增大后減小，在150s時應(yīng)力出現(xiàn)了最大值168MPa。校核啟動工況下的應(yīng)力強度是否通過，僅需校核該時刻的應(yīng)力值即可。

圖6 設(shè)備在150s時應(yīng)力分布云圖

    從1200s到3090s之間，應(yīng)力最大點從在接管區(qū)域的外壁轉(zhuǎn)移到內(nèi)壁，且最大應(yīng)力點數(shù)值不斷增大。在3090s時刻時，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時應(yīng)力分布云圖

圖8 設(shè)備在3090s時應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)果評定

    設(shè)備在設(shè)計工況下，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在接管區(qū)域的內(nèi)壁，通過最大應(yīng)力點繪制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)備在啟動的整個階段，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在150s時刻，通過最大點繪制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。兩個危險路徑的應(yīng)力評定見表3。

表3 應(yīng)力評定

    所以設(shè)備在啟動的整個過程中切向斜接管根部區(qū)域是安全的。

4 分析結(jié)果

    對以上過程分析可知得到如下結(jié)論：

    1、對汽水分離器每隔30s進行瞬態(tài)熱固耦合結(jié)果取樣分析可知：設(shè)備在整個啟動階段，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)力最大點必出現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)的外壁或內(nèi)壁；

    2、從設(shè)備啟動開始至設(shè)備運行大約1200s過程內(nèi)，由于溫度載荷產(chǎn)生的二次應(yīng)力比機械載荷產(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，這段時間內(nèi)，汽水分離器蒸汽入口部分的應(yīng)力最大點始終出現(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為現(xiàn)增大后減小，所以，應(yīng)力最大點數(shù)值變化趨勢亦為先增大后減小，且約在150s時應(yīng)力出現(xiàn)了最大值。

    3、從設(shè)備啟動1200s至該階段結(jié)束過程中，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)力最大點轉(zhuǎn)移到切向斜接結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，且應(yīng)力最大點數(shù)值變化趨勢為先減小后增大（即二次應(yīng)力越來越小，與一次應(yīng)力相抵消的能力越來越小)。

5 結(jié)束語

    通過上文的分析，可以得出汽水分離器蒸汽入口接管切向斜接結(jié)構(gòu)在啟動過程中，最大應(yīng)力點出現(xiàn)時刻及所在位置，這不僅對今后的設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)，而且對工程實踐亦有一定的參考價值。

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本文標(biāo)題：汽水分離器啟動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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