【摘 要】
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作为我国实现能源大背景转型、推进“双碳”政策不可或缺的技术手段之一,光热发电技术在青海、甘肃等光照资源充足的地区具备十分优异的应用前景,我国也正积极建设一批具备示范效应的光热电站。作为光热电站中的核心设备,高温熔盐蒸发器的安全、稳定运行直接影响光热电站的经济效益。本文基于有限元技术,对高温熔盐蒸发器进行应力分析和强度评定、高温蠕变-疲劳耦合损伤评定、蒸发器管板结构合理化研究以及国内外标准固定管板常
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作为我国实现能源大背景转型、推进“双碳”政策不可或缺的技术手段之一,光热发电技术在青海、甘肃等光照资源充足的地区具备十分优异的应用前景,我国也正积极建设一批具备示范效应的光热电站。作为光热电站中的核心设备,高温熔盐蒸发器的安全、稳定运行直接影响光热电站的经济效益。本文基于有限元技术,对高温熔盐蒸发器进行应力分析和强度评定、高温蠕变-疲劳耦合损伤评定、蒸发器管板结构合理化研究以及国内外标准固定管板常规设计对比,主要工作和结论如下:（1）基于Ansys Workbench平台建立蒸发器二分之一对称模型,采用实体单元进行网格划分。根据GB/T 151确定6种载荷组合工况,并依据JB 4732对蒸发器进行应力分析和强度评定。结果表明,6种载荷组合工况作用下蒸发器强度均满足要求。不同载荷组合工况下蒸发器应力强度峰值均出现于结构不连续处,且峰值应力占主要成分。（2）分别根据ASME III.5非强制性附录HBB和JB 4732附录C,对蒸发器进行高温蠕变-疲劳损伤评定和不考虑蠕变的低温疲劳损伤评定。结果表明,由于蒸发器管板高温侧的沟槽圆角半径过小,管板高温侧无法通过蠕变-疲劳损伤评定;蒸发器管程为高压,加之管板管程过渡圆角半径与壳程一致,管板低温侧也无法通过低温疲劳损伤评定。按照GB/T 151设计的固定管板,其静强度一般满足要求,但若管板有高周次循环和长时间高温保载的设计需求,其安全性有待商榷。（3）针对目前蒸发器管板无法满足蠕变-疲劳损伤评定和低温疲劳损伤评定,对管板结构进行了合理化研究。增加管板管程圆角可以有效降低管程圆角的峰值应力,当管程圆角半径增至28mm时,管板可以通过JB4732低温疲劳损伤评定。基于GB/T 151附录I,将不易修改的管板壳程沟槽结构改为圆角过渡结构,并加大过渡圆角半径。结果表明,壳程圆角处的疲劳损伤和蠕变损伤随着圆角半径的增加先降低后不变;当壳程圆角半径为18mm时,管板可以通过蠕变-疲劳损伤评定。（4）基于结构优化后的管板,探讨了操作压力和管板材料对管板蠕变-疲劳损伤评定的影响。管板的疲劳损伤和蠕变损伤随着操作压力的提高而增大,壳程圆角R=18mm的管板在3.0和3.5MPa下可以通过蠕变-疲劳损伤评定,但压力增至4.0MPa以上时,壳程圆角半径需要增至25mm。2.25Cr-1Mo钢整体高温力学性能不如9Cr-1Mo-V钢,不推荐在应力复杂且有长时间高温保载需求的蒸发器管板中使用。（5）根据GB/T 151和ASME VIII-1 UHX分篇对与管壳程筒体整体连接管板进行了常规设计,并详细对比了两部标准的异同。结果表明,ASME标准在固定管板结构、强度评定工况、管板应力校核、换热管拉脱力计算、壳体管箱应力校核等方面考虑更加周全,整体严谨度高于GB/T 151。
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