CN107355264B - 一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，将高压加热器的管板部分参考标准ASME VIII‑2附录5‑E建立等效管板模型；对所有载荷情况组合完成弹塑性防止塑性垮塌分析，求得高压加热器塑性垮塌载荷；对计算得到的高压加热器整体塑性垮塌载荷，采用设计系数确定其许用载荷；将许用载荷与应用工况的设计载荷比较，确定该设计载荷条件下的高压加热器管程结构是否满足安全要求。本发明将弹性领域的等效管板简化模型开拓性地应用在弹塑性防止塑性垮塌分析领域，试验表明，等效管板简化模型可用于电厂用高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，有效解决了设计中对计算机硬件过高的需求，节省了建模及计算时间，大大缩短了设计周期。

Description

一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法
技术领域
本发明涉及一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，尤其涉及一种采用以弹塑性理论为基础的电厂用高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，属于电厂用高压加热器技术领域。
背景技术
鉴于国内电厂装机容量大，运行参数高的状况，电厂配套的高压加热器其管程设计压力高于35MPa，超出了常规设计标准GB150的规定。
现阶段电厂用高压加热器管程结构设计主要参照压力容器分析设计标准JB4732，采用应力分类法分析设计。但随着国内高超临界机组的压力温度参数的进一步提高，导致设备规格不断增大，部件如管板、封头等直径壁厚的增加，给现阶段的材料生产、设备设计及制造均带来一定程度的困难。
相比于各国压力容器设计领域所广泛采用的应力分类法，以弹塑性分析为基础，将总体塑性变形和渐进塑性变形作为失效判定条件的直接法，其在力学分析上更接近结构的实际承载情况。然而，以防止塑性垮塌评定的直接法的高压加热器设计，往往采用全模型建模分析，但是高参数的高压加热器模型涉及大量换热管，材料的力学行为比较复杂，且在数值建模分析设计过程中，涉及到大量的几何非线性、接触非线性以及材料非线性，对计算硬件要求需求很高，且计算及设计时间周期较长。
现行标准及规范中给出一种等效管板模型(ASME VIII-2附录5-E)，其是将实际管板的材料性能置换成当量实心板的材料性能，使得等效管板的刚度与实际管板相近。这种等效管板模型是基于弹性应力分析为基础的管板设计，管板的安全评定主要还是基于应力分类法，对等效管板计算的应力结果乘以应力系数的方法求得实际管板中的各项应力值进行校核。目前该等效管板模型还没有应用于弹塑性防止塑性垮塌领域的先例。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于电厂用高压加热器设计的、防止高压加热器塑性垮塌的简化评定方法，以大大缩短计算及设计周期。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于，包括如下5个步骤：
步骤1：建立高压加热器除管板部分之外的所有相关几何特性在内的数值模型，高压加热器的管板部分参考标准ASME VIII-2附录5-E建立等效管板模型，精确表示高压加热器整个模型的几何特性、边界条件和所作用的载荷；
步骤2：规定需要考虑的载荷因素，包括：所有的相关载荷以及适用的载荷情况；
步骤3：对所有载荷情况组合完成弹塑性防止塑性垮塌分析，求得高压加热器塑性垮塌载荷；
步骤4：对计算得到的高压加热器整体塑性垮塌载荷，采用设计系数确定其许用载荷；
步骤5：将许用载荷与应用工况的设计载荷比较，确定该设计载荷条件下的高压加热器管程结构是否满足安全要求。
优选地，所述步骤1的数值模型及等效管板模型中，对环绕应力和应力集中的区域作局部细化处理。
优选地，所述步骤1的等效管板模型的材料本构基于弹塑性材料本构模型获得。
更优选地，所述弹塑性材料本构模型基于弹塑性材料模型、von Mises屈服函数和与von Mises屈服函数相关的流动规则建立。
进一步地，所述弹塑性材料模型包括硬化或软化的材料模型，或理想弹塑性的材料模型。
优选地，所述等效管板模型的材料本构，对应等效管板部位，将弹塑性材料本构模型的相关性能参数增加相应的削弱系数获得。
优选地，采用弹塑性材料模型时，直至真实极限应力和全塑性行为超过弹塑性材料模型的极限时，应一直包括硬化行为。
优选地，所述弹塑性材料本构模型在分析中应计及几何非线性的影响。
优选地，所述步骤3中，弹塑性分析采用有限元方法。
优选地，所述步骤5中，如果许用载荷大于应用工况的设计载荷，说明该设计载荷条件下的高压加热器管程结构满足安全要求；否则，说明不满足。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)将弹性领域的等效管板简化模型开拓性地应用在弹塑性防止塑性垮塌领域，以弹塑性分析为基础的直接法对由非弹性变形以及高压加热器的变形特征导致发生的应力再分布都在分析中直接计及，无需进行应力分类；
(2)试验表明，等效管板的简化模型，可用于电厂用高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，有效解决了设计中对计算机硬件过高的需求，节省了建模及计算时间，大大缩短了设计周期。
附图说明
图1为本实施例提供的高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法的流程图；
图2为典型电厂用高压加热器管程的外形结构图；
图3为等效管板有限元模型图；
图4为传统的全模型有限元模型图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
以图2所示的高压加热器为例，介绍本发明高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法。
图2为典型电厂用高压加热器管程的外形结构图，该高压加热器的主要承压部件包括管板1，管板1外侧为水室封头3，水室封头3上设有出口水管2、人孔4及进口水管5。
上述高压加热器的设计参数如下：
设计压力为39MPa，设计温度为310℃，水室内径为2100mm，最小水室封头厚度为113.5mm，管板厚度为570mm，壳侧内径为2100mm，换热管外径为16mm，换热管厚度为2.5mm。
结合图1，本实施例提供的高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法的具体步骤如下：
步骤1：按照图2所示的典型电厂用高压加热器结构确定其除管板部分之外的所有相关几何特性在内的数值模型，而高压加热器的管板部分参考ASME VIII-2附录5-E建立等效管板模型。所述数值模型和等效管板模型共同构成高压加热器整个模型，精确表示高压加热器整个模型的几何特性、边界条件和所作用的载荷；等效管板有限元模型如图3所示，高压加热器传统的全模型有限元模型图如图4所示。
基于上述高压加热器管程各承压部件(管板、水室封头、进出口水管、人孔、换热管等)在设计温度下的理想弹塑性材料本构模型建立等效管板模型。其中等效管板有限元模型中，等效管板部位材料本构需增加削弱系数，给出等效的弹性模量和泊松比。同时选取von Mises屈服函数及流变准则。
步骤2：规定需要考虑的载荷因素，包括：所有的相关载荷以及适用的载荷情况。最大的载荷需涵盖2.4(设计系数)倍设计压力。
步骤3：对所有载荷情况组合完成弹塑性防止塑性垮塌分析，求得高压加热器塑性垮塌载荷。主要借助于有限元方法或其他数值方法进行分析，以小的载荷增量也不能获得平衡解，确定塑性垮塌极限载荷(即，该解不再收敛)。
针对本实施例的高压加热器，本发明方法得到的等效管板模型塑性垮塌极限载荷为79.783MPa，传统的全模型的塑性垮塌极限载荷为79.56MPa，两者误差仅为0.28％。
步骤4：对计算得到的高压加热器整体塑性垮塌载荷，采用设计系数确定其许用载荷。这里的设计系数是ASME VIII-2标准中规定的方法计算获得，为本领域技术人员的公知常识。本实施例中，设计系数为1.5。
针对本实施例的高压加热器，本发明方法得到的等效管板模型许用载荷为53.19MPa，传统的全模型的许用载荷为53.04MPa。
步骤5：将许用载荷与应用工况的设计载荷比较，确定该设计载荷条件下的高压加热器管程结构是否满足安全要求。如果许用载荷大于应用工况的设计载荷，说明该设计载荷条件下的高压加热器管程结构满足安全要求；否则，说明不满足。
针对本实施例的高压加热器，本发明方法得到的许用载荷和传统的全模型建模计算得到的许用载荷均大于设计载荷约39MPa，说明该设计载荷条件下的高压加热器管程结构满足安全要求。
上述试验数据表明，本发明方法得到的塑性垮塌极限载荷与传统的全模型建模计算得到的极限载荷与应力的分布两者规律相近，计算得到的极限载荷相近。因此，高压加热器的管板部分可以用等效管板模型代替传统的全模型建模的复杂模型，这样不仅有效解决了设计中对计算机硬件过高的需求，而且节省了建模及计算时间，大大缩短了设计周期，使得高压加热器的弹塑性分析设计更加高效。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于，包括如下5个步骤：
步骤1：建立高压加热器除管板部分之外的所有相关几何特性在内的数值模型，高压加热器的管板部分参考标准ASMEⅧ-2附录5-E建立等效管板模型，精确表示高压加热器整个模型的几何特性、边界条件和所作用的载荷；
步骤2：规定需要考虑的载荷因素，包括：所有的相关载荷以及适用的载荷情况；
步骤3：对所有载荷情况组合完成弹塑性防止塑性垮塌分析，求得高压加热器塑性垮塌载荷；
步骤4：对计算得到的高压加热器塑性垮塌载荷，采用设计系数确定其许用载荷；
步骤5：将许用载荷与应用工况的设计载荷比较，确定该设计载荷条件下的高压加热器管程结构是否满足安全要求。
2.如权利要求1所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述步骤1的数值模型及等效管板模型中，对环绕应力和应力集中的区域作局部细化处理。
3.如权利要求1所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述步骤1的等效管板模型的材料本构基于弹塑性材料本构模型获得。
4.如权利要求3所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述弹塑性材料本构模型基于弹塑性材料模型、von Mises屈服函数和与von Mises屈服函数相关的流动规则建立。
5.如权利要求4所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述弹塑性材料模型包括硬化或软化的材料模型，或理想弹塑性的材料模型。
6.如权利要求3所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述等效管板模型的材料本构，对应等效管板部位，将弹塑性材料本构模型的相关性能参数增加相应的削弱系数获得。
7.如权利要求4所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：采用弹塑性材料模型时，直至真实极限应力和全塑性行为超过弹塑性材料模型的极限时，应一直包括硬化行为。
8.如权利要求3～7任一项所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述弹塑性材料本构模型在分析中应计及几何非线性的影响。
9.如权利要求1所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述步骤3中，弹塑性分析采用有限元方法。
10.如权利要求1所述的一种高压加热器防止塑性垮塌的简化评定方法，其特征在于：所述步骤5中，如果许用载荷大于应用工况的设计载荷，说明该设计载荷条件下的高压加热器管程结构满足安全要求；否则，说明不满足。
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