CN110990972B - 一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法 - Google Patents

一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，将换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；根据电厂实际工况进行热分析与结构分析，求得换热管与管板焊接结构的应力分布，输出垂直于假想裂缝平面的薄膜和弯曲应力；根据薄膜与弯曲应力计算得到等效结构应力幅值，参考疲劳曲线确定许用循环次数；将许用循环次数与应用工况的循环次数比较，确定该工况条件下的换热器焊接接头是否满足安全要求，并对比多种形式的焊接接头，确定最优形式。本发明将弹性领域的等效管板简化模型开拓性地应用在换热管与管板焊接形式的评定领域，试验表明，等效管板的简化模型可用于光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，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

一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法
技术领域
本发明涉及一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，属于光热换热器技术领域。
背景技术
鉴于光热电厂发电运行条件比较苛刻，如启停频繁、启动快速、温升速率高等特点，对换热器整个寿命期间提出了频繁、苛刻的热冲击要求。其中换热管与管板的接头为泄漏薄弱环节，且连接形式复杂，其抗热冲击性能的评定尤为重要。
现阶段换热器换热管与管板焊接接头抗热冲击性能的评定主要参照美国机械工程师协会标准ASMEⅧ-2篇进行，通过疲劳评定来分析设计焊接接头。但随着对换热器抗热冲击性能要求的提高，使得换热管与管板焊接形式的选取更加重要，优选焊缝形式成为设备设计中的重要环节
根据标准采用当量结构应力幅值参量以评定由线弹性应力分析所得结果的疲劳损伤，其中起决定作用的应力为结构应力，然而在力学分析中焊接接头处结构应力的计算往往采用全模型建模分析，其中包括大量的换热管以及每根换热管与管板复杂的焊接结构，由于精度要求需对焊接结构进行网格细化，导致数值模型规模庞大，对计算机硬件的要求很高，且计算与设计时间周期很长。
在ASME标准中给出了一种等效管板模型(ASMEⅧ-2附录5-E)，其是一种以当量实心板为基础的多孔板分析方法，将实际的多孔板的材料性能被置换成当量实心板的材料性能，后者与实际多孔板的刚度相接近。目前该等效管板模型还没有应用于换热器换热管与管板焊接接头疲劳评定领域的先例。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于光热换热器设计的、换热管与管板焊接接头抗热冲击性能的简化评定方法，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光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，包括如下六个步骤：
步骤一、确定进行评定的换热管与管板的焊接接头的结构形式及几何尺寸；
步骤二、建立光热换热器中单根换热管与管板焊接结构的数值模型，其中管板部分根据标准ASMEⅧ-2附录5-E建立等效管板模型，管板外的其他部分按照光热换热器的几何特性建立，模型边界条件及加载条件参考光热电厂实际运行工况；
步骤三、通过力学分析，得到换热管与管板焊接接头处的应力分布，根据标准中焊缝疲劳评定方法求得焊接接头的等效结构应力幅值；
步骤四、对计算得到的等效结构应力幅值，根据焊接接头的疲劳曲线确定其许用设计循环次数；
步骤五、得到光热电厂实际循环次数与许用设计循环次数的比值，即疲劳损伤值，确定此种焊接接头形式是否满足安全要求；
步骤六、对多种焊接接头形式重复步骤一～五，得到不同形式焊接接头的疲劳损伤值，对比疲劳损伤值，选取最佳焊缝形式。
优选地，所述步骤二的数值模型及等效管板模型中，对换热管与管板焊接结构的区域作局部细化处理。
优选地，所述步骤三中，力学分析采用有限元方法，包括瞬态热分析及结构分析。
优选地，所述步骤三的结构应力为垂直与焊接接头假想裂缝平面的薄膜和弯曲应力的函数，通过最大－最小循环计数法计算结构应力的等效幅值。
优选地，所述步骤二的等效管板模型对应等效管板部位，将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，所述步骤五中，如果疲劳损伤值小于1，说明该工况条件下的换热器换热管与管板焊接接头满足安全要求；否则，说明不满足。
优选地，在进行多种焊接接头抗热冲击能力的对比分析中，疲劳损伤值越小，说明焊接接头形式抗热冲击能力越好。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)首次将等效管板简化模型应用到光热换热器的换热管与管板焊接接头的评定中，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。
(2)通过计算换热管与管板焊接接头处的等效结构应力幅值得到疲劳损伤值，通过对比不同形式焊接接头在同种工况条件下的疲劳损伤值分析焊接形式抗热冲击性能的优劣。
附图说明
图1为本实施例提供的光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法的流程图；
图2-1到2-4为典型光热电厂用换热器换热管与管板的焊接结构图；
其中2a为焊接接头，2b为管板，2c为换热管；
图3-1、3-2为等效管板有限元模型图；
图4为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3-1，3-2所示的光热换热器等效模型为例，介绍本发明换热管与管板焊接形式抗热冲击能力的简化评定方法。
图3-1为典型光热换热器管程的外形结构图，图3-2为换热管与管板焊接结构的局部图，该换热器管程部分的主要结构包括管板1，换热管2，换热管与管板的焊接接头3，管板1一侧为水室封头4，另一侧为壳体5。
上述光热换热器的结构尺寸如下：
水室内径为850mm，最小水室封头厚度为55mm，管板厚度为220mm，壳侧内径为800mm，换热管外径为15.88mm，换热管厚度为2.11mm。
光热电厂提供的实际工况如下：
Figure GDA0004266523540000031
结合图1，本实施例提供的光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法的具体步骤如下：
步骤一：根据标准确定换热管与管板焊接接头的结构形式及几何尺寸，本案例中分析按图2-1至2-4所示的四种焊接接头形式；
步骤二：按图2建立光热换热器中单根换热管与管板焊接结构的数值模型，其中管板部分参考标准ASMEⅧ-2附录5-E建立等效管板模型，精确表示光热换热器的几何特性，边界条件及加载条件参考光热电厂实际运行工况，等效管板有限元模型如图3-1、3-2所示，传统的全模型有限元模型图如图4所示；其中等效管板有限元模型中，等效管板部位的有效材料参数需增加削弱系数，给出等效的弹性模量和泊松比。
步骤三：实际工况包括温度变化与压力变化，通过瞬态热分析与结构分析，得到换热管与管板焊接接头处的应力分布，根据假想裂缝平面的薄膜和弯曲应力计算得到焊接接头处的结构应力，并通过最大－最小循环计数法计算结构应力的等效幅值；
步骤四：基于等效结构应力幅值，参照焊接接头疲劳曲线，计算得出许用设计循环次数N；
步骤五：计算实际循环次数与许用设计循环次数的比值，得到焊接接头的疲劳损伤值，将疲劳损伤值与1进行比较，小于1说明该焊接接头在工况条件下符合要求，反之则不符合要求。
步骤六：针对四种焊接接头形式重复步骤二～五的过程，得出并比较相应的疲劳损伤值，本案例中，图2-2所示的焊接接头形式为抗热冲击能力最好的焊接形式。同时通过对全模型的计算，得到与该发明中简化方法相同的结论。
上述实例表明，本发明方法对换热管与管板焊接接头抗热冲击能力的评定与传统全模型计算的评定结果规律一致。因此，对光热换热器换热管与管板焊接接头的评定可以使用等效管板模型代替传统的复杂的全模型，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。
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 (7)

1.一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，包括如下六个步骤：
步骤一、确定进行评定的换热管与管板的焊接接头的结构形式及几何尺寸；
步骤二、建立光热换热器中单根换热管与管板焊接结构的数值模型，其中管板部分根据标准ASMEⅧ-2附录5-E建立等效管板模型，管板外的其他部分按照光热换热器的几何特性建立，模型边界条件及加载条件参考光热电厂实际运行工况；
步骤三、通过力学分析，得到换热管与管板焊接接头处的应力分布，根据标准中焊缝疲劳评定方法求得焊接接头的等效结构应力幅值；
步骤四、对计算得到的等效结构应力幅值，根据焊接接头的疲劳曲线确定其许用设计循环次数；
步骤五、得到光热电厂实际循环次数与许用设计循环次数的比值，即疲劳损伤值，确定此种焊接接头形式是否满足安全要求；
步骤六、对多种焊接接头形式重复步骤一～五，得到不同形式焊接接头的疲劳损伤值，对比疲劳损伤值，选取最佳焊缝形式。
2.如权利要求1所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，所述步骤二的数值模型及等效管板模型中，对换热管与管板焊接结构的区域作局部细化处理。
3.如权利要求1所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，所述步骤三中，力学分析采用有限元方法，包括瞬态热分析及结构分析。
4.如权利要求1所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，所述步骤三的结构应力为垂直与焊接接头假想裂缝平面的薄膜和弯曲应力的函数，通过最大－最小循环计数法计算结构应力的等效幅值。
5.如权利要求1所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，所述步骤二的等效管板模型对应等效管板部位，将材料本构模型的相关性能参数增加相应的削弱系数获得。
6.如权利要求1所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，所述步骤五中，如果疲劳损伤值小于1，说明该工况条件下的换热器换热管与管板焊接接头满足安全要求；否则，说明不满足。
7.如权利要求6所述的一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法，其特征在于，在进行多种焊接接头抗热冲击能力的对比分析中，疲劳损伤值越小，说明焊接接头形式抗热冲击能力越好。
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