CN102819638A - 一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法，它涉及一种光热太阳能换热设备设计方法，以解决现有利用常规设计方法设计光热太阳能换热设备，存在设计寿命与实际设备寿命偏差较大，设备在服役期内不能满足多状态频繁启停机工况，设备在服役期内存在因疲劳引起失效导致安全性和稳定性差的问题，具体步骤为：步骤一、使用常规设计方法确定作为疲劳设计的初步几何特征尺寸；步骤二、有限元计算进行应力分析，得到结构各点的应力分布；步骤三、利用疲劳损伤评价准则进行评估；步骤四、按照步骤二中确定的初步几何特征尺寸对设备进行详细设计；步骤五、确定制造、检验和验收的技术要求。本发明用于光热太阳能换热设备设计。

Description

一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法

技术领域

本发明涉及一种光热太阳能换热设备设计方法。

背景技术

随着光热太阳能技术的蓬勃发展，光热项目蒸发系统，储热系统换热设备的设计方法也逐渐被重视。光热发电设备具有多状态频繁启停机的显著特点。在寿命周期内一般会承受冷态启机1000-2000次，温态启机2000-4000次，热态启机6000-10000次。这种多状态频繁启停机的工况对设备使用寿命有很大的影响，在常规换热设备和压力容器的设计中是并不考虑频繁多状态启停机对设备寿命的影响。设备的设计寿命与疲劳载荷的往复做用也没有关联。近些年很多事故案例表明疲劳失效是导致容器失效的重要原因，光热太阳发电设备是典型的受往复载荷反复作用的设备，疲劳载荷导致的寿命损伤也应该是确定设备使用寿命的重要依据。如果仍然以常规设计方法设计太阳能光热设备，则在设备寿命期内会存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为解决现有利用常规设计方法设计光热太阳能换热设备，存在设计寿命与实际设备寿命偏差较大，设备在服役期内不能满足多状态频繁启停机工况，设备在服役期内存在因疲劳引起失效导致安全性和稳定性差的问题，进而提供一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法的具体步骤为：

步骤一、使用常规设计方法确定作为疲劳设计的初步几何特征尺寸，所述确定疲劳设计的初步几何特征尺寸的具体过程为：

(1)边界参数确定：包括管侧、壳侧流体进出口温度；管侧、壳侧压力；管侧、壳侧流量；管侧、壳侧流体物性；

(2)换热设备材料选择：根据光热太阳能设备性能要求及结构特点选择适用材料；

(3)工艺设计，根据(1)所提供的边界条件通过热力计算确定换热面积、流程、管子根数、管长、布管形式、管口尺寸、设备外径和设备长度；

(4)结构设计，根据(3)中确定的工艺参数以及(1)中确定的边界条件进行强度计算确定管板厚度、筒体厚度、封头厚度和管口壁厚；

步骤二、将常规设计所确定的初步几何特征尺寸，以及载荷参数、边界条件和材料属性通过有限元计算进行应力分析，得到结构各点的应力分布，所述初步几何特征尺寸为步骤一中的工艺设计参数和结构设计参数，所述载荷参数为内压、温度和外载荷；所述边界条件为边界约束力、约束位移和约束转角；所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度；所述结构各点的应力是按照第三强度理论所计算的应力；

所述有限元计算具体过程为：

(1)建立有限元模型，以初步几何特征尺寸作为模型基本尺寸进行建模；

(2)有限元前处理，以载荷参数、边界条件和材料属性作为有限元计算的前处理求解设置；

(3)有限元计算，得到计算的结构各点的应力分布；

(4)有限元计算后处理；得到各点应力的合应力；

步骤三、针对应力分析结果，利用疲劳损伤评价准则进行评估，通过得到的结构各点的应力分布及各点合应力，找到最大合应力S，得到最大应力强度S_alt＝S/2，根据最大应力强度S_alt，通过设计疲劳曲线图对应的数据表的数据和插值公式

其中S_i＞S_alt＞S_j，计算得到最大应力强度S_alt时的理论循环次数N，利用

得到最大应力强度S_alt时的使用系数U，其中n为实际循环次数，如评估结论不满足U＜1的疲劳载荷的基本要求，分别修改结构尺寸和/或材料并重新返回步骤二进行应力分析，直至评估结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求；

步骤四、疲劳损伤评价结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求后，按照步骤二中确定的初步几何特征尺寸对设备进行详细设计；

步骤五、确定制造、检验和验收的技术要求。

本发明的有益效果是：本发明能够在设备的设计阶段预先按照设备多状态频繁起停机的要求并按照疲劳寿命损伤的准则进行换热器设计，所设计的设备考虑了频繁启停机或多工况周期作用时疲劳载荷引起的设备损伤，并考虑了设备损伤所引起的寿命损耗，设备在多状态频繁启停机的工况下或服役期内的安全性和稳定性得到有效的保证，设计寿命与实际设备寿命偏差较小，设备使用寿命期内能够满足多状态频繁启停机的要求，提高了设备在服役期内因疲劳失效导致安全性和稳定性，使得光热设备设计趋于合理。

附图说明

图1是本发明的设计流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法的具体步骤为：

步骤一、使用常规设计方法确定作为疲劳设计的初步几何特征尺寸，所述确定疲劳设计的初步几何特征尺寸的具体过程为：

(1)边界参数确定：包括管侧、壳侧流体进出口温度；管侧、壳侧压力；管侧、壳侧流量；管侧、壳侧流体物性；

(2)换热设备材料选择：根据光热太阳能设备性能要求及结构特点选择适用材料；

(3)工艺设计，根据(1)所提供的边界条件通过热力计算确定换热面积、流程、管子根数、管长、布管形式、管口尺寸、设备外径和设备长度；

(4)结构设计，根据(3)中确定的工艺参数以及(1)中确定的边界条件进行强度计算确定管板厚度、筒体厚度、封头厚度和管口壁厚；

步骤二、将常规设计所确定的初步几何特征尺寸，以及载荷参数、边界条件和材料属性通过有限元计算进行应力分析，得到结构各点的应力分布，所述初步几何特征尺寸为步骤一中的工艺设计参数和结构设计参数，所述载荷参数为内压、温度和外载荷；所述边界条件为边界约束力、约束位移和约束转角；所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度；所述结构各点的应力是按照第三强度理论所计算的应力；

所述有限元计算具体过程为：

(1)建立有限元模型，以初步几何特征尺寸作为模型基本尺寸进行建模；

(2)有限元前处理，以载荷参数、边界条件和材料属性作为有限元计算的前处理求解设置；

(3)有限元计算，得到计算的结构各点的应力分布；

(4)有限元计算后处理；得到各点应力的合应力；

步骤三、针对应力分析结果，利用疲劳损伤评价准则进行评估，通过得到的结构各点的应力分布及各点合应力，找到最大合应力S，得到最大应力强度S_alt＝S/2，根据最大应力强度S_alt，通过设计疲劳曲线图对应的数据表的数据和插值公式

其中S_i＞S_alt＞S_j，计算得到最大应力强度S_alt时的理论循环次数N，利用

得到最大应力强度S_alt时的使用系数U，其中n为实际循环次数(冷态启机、温态启机或热态启机的次数)，如评估结论不满足U＜1的疲劳载荷的基本要求，分别修改结构尺寸和/或材料并重新返回步骤二进行应力分析，直至评估结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求；

步骤四、疲劳损伤评价结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求后，按照步骤二中确定的初步几何特征尺寸对设备进行详细设计；

步骤五、确定制造、检验和验收的技术要求。

本实施方式的步骤一中所述常规设计方法为按照GB150和GB151完成的光热太阳能设备结构设计方法，所述初步几何特征尺寸包括工艺设计确定的工艺参数和结构设计所确定的结构尺寸。本实施方式的步骤一中的(2)的材料选取应依照JB4732-1995执行，根据光热太阳能设备性能要求及结构特点选择适用材料，设计温度最高为560℃，设计压力最高为10Mpa，设备内部流体为水/汽、硝酸钠与硝酸钾混合物以及联苯与联苯醚的混合物，选用材料需有防腐特性；光热设备有疲劳启停工况，材料需有不敏感的裂纹扩展特性。

本实施方式的步骤一的几何特征尺寸的确定依据GB150和GB151执行，对于管壳式换热器来说初步几何特征尺寸包括封头形式、规格及壁厚；筒体规格、壁厚；管板壁厚、直径管孔布置方式、管板与筒体及封头的连接结构尺寸；换热管规格及型式：与换热器相连的外部附件几何特征；换热器支撑的型式及其结构尺寸；换热器内部支撑部件几何尺寸。

本实施方式的步骤二中材料选取应依照JB4732-1995执行；本发明使用的材料有21中钢板、21种钢管和18种锻件；有限元法计算是用于数值模拟的一种方法，数值模拟可借助商业通用有限元软件实现，如NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等，应力结果为第三强度理论的计算结果，计算方法采用弹性计算，应力值为虚拟的弹性名义应力。

本实施方式的步骤三中S_alt、S_i、S_j为JB4732-1995附录C的表C-1设计疲劳曲线图的S_a值，单位均为Mpa；N_i，N，N_j分别为设计疲劳数据得到的相应循环数，利用JB4732附录C的表C-1中查找与N相邻的N_i和N_j，通过插值公式计算得到N。

本实施方式的步骤三的所述最大应力S的查找可以通过有限元软件后处理实现，在结构上一般出现在结构突变处(如开孔接管连接处、管板与筒体连接处、管板中心区域、封头与筒体/管板连接处、支座与筒体连接处和温度梯度变化处)；

本实施方式的步骤三中的疲劳损伤的评价准则依据JB4732-1995附录C执行，疲劳损伤的评价准则是评估材料是否能在寿命期内承受一定周期往复载荷的标准。疲劳损伤评价标准建立了材料的应力水平与载荷循环次数之间的关系。有限元计算最终结果为设备在一定载荷作用下的应力分布，在JB4732-1995附录C中给出了应力值的大小与该应力值对应的允许循环次数的关系。通过有限元计算和疲劳损伤的评估，可以得到设备最危险点在某种往复载荷作用下允许的最大循环次数，使用这一循环次数与最初设备设计次数做比较，既可以判断设备在设计寿命期内是否可以满足一定次数往复载荷的作用。

本实施方式的步骤四和步骤五中设备在承受往复载荷作用时，会在某些特定结构处出现疲劳裂纹。这些特定结构几乎都有一定的分布规律，在结构细节设计时，应尽量避免过高的应力集中区域出现。设备细节设计明确了容易出现疲劳裂纹的区域(包括各零部件连接处、零件自身的结构突变处、有限元计算结果中峰值应力较高的区域、温度梯度变化较大的区域)和减小应力集中出现的方法(合理设计结构尽量避免结构突变、焊缝平滑过渡不允角焊缝和未全熔头焊缝、100％无损检测、焊后整体热处理等)，最终将设计细节体现于设计图纸和制造、检验、验收技术要求中。

本实施方式的步骤五的制造、检验和验收的技术要求按照JB4732-1995或ASME第八卷第二分篇确定。

Claims (1)

1.一种基于疲劳寿命损伤的光热太阳能换热设备设计方法，其特征在于，所述设计方法的具体步骤为：

步骤一、使用常规设计方法确定作为疲劳设计的初步几何特征尺寸，所述确定疲劳设计的初步几何特征尺寸的具体过程为：

(1)边界参数确定：包括管侧、壳侧流体进出口温度；管侧、壳侧压力；管侧、壳侧流量；管侧、壳侧流体物性；

(2)换热设备材料选择：根据光热太阳能设备性能要求及结构特点选择适用材料；

(3)工艺设计，根据(1)所提供的边界条件通过热力计算确定换热面积、流程、管子根数、管长、布管形式、管口尺寸、设备外径和设备长度；

(4)结构设计，根据(3)中确定的工艺参数以及(1)中确定的边界条件进行强度计算确定管板厚度、筒体厚度、封头厚度和管口壁厚；

步骤二、将常规设计所确定的初步几何特征尺寸，以及载荷参数、边界条件和材料属性通过有限元计算进行应力分析，得到结构各点的应力分布，所述初步几何特征尺寸为步骤一中的工艺设计参数和结构设计参数，所述载荷参数为内压、温度和外载荷；所述边界条件为边界约束力、约束位移和约束转角；所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度；所述结构各点的应力是按照第三强度理论所计算的应力；

所述有限元计算具体过程为：

(1)建立有限元模型，以初步几何特征尺寸作为模型基本尺寸进行建模；

(2)有限元前处理，以载荷参数、边界条件和材料属性作为有限元计算的前处理求解设置；

(3)有限元计算，得到计算的结构各点的应力分布；

(4)有限元计算后处理；得到各点应力的合应力；

步骤三、针对应力分析结果，利用疲劳损伤评价准则进行评估，通过得到的结构各点的应力分布及各点合应力，找到最大合应力S，得到最大应力强度S_alt＝S/2，根据最大应力强度S_alt，通过设计疲劳曲线图对应的数据表的数据和插值公式其中S_i＞S_alt＞S_j，计算得到最大应力强度S_alt时的理论循环次数N，利用

得到最大应力强度S_alt时的使用系数U，其中n为实际循环次数，如评估结论不满足U＜1的疲劳载荷的基本要求，分别修改结构尺寸和/或材料并重新返回步骤二进行应力分析，直至评估结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求；

步骤四、疲劳损伤评价结论满足U＜1的疲劳载荷基本要求后，按照步骤二中确定的初步几何特征尺寸对设备进行详细设计；

步骤五、确定制造、检验和验收的技术要求。

Images