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摘 要：为揭示在高温高压的条件下超超临界锅炉过热器管道的力学性能，利用有限元软件ANSYS进行弹塑性应力分析，并结合理论计算，对过热器管道的应力应变场展开研究。结果表明：数值模拟结果具有较高的精度。在承受内压的过热器管道三个方向的应力中，周向应力最大，其次是轴向应力，径向应力最小；内壁所受的应力、应变最大，最易发生材料屈服。
关键词：超超临界锅炉 过热器管道 理论计算 数值模拟
中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-112-04
1 引言
超超临界（USC）机组一般指进汽压力高于27MPa，或蒸汽温度高于580℃的机组。电站锅炉中的高温受热面所处环境恶劣，易发生爆管、泄露等事故。过热器在工作过程中承载较大，如果设计不当，往往在使用过程中发生畸变，甚至爆破，因此对其力学性能进行分析研究是十分必要的。大量研究表明，过热器管道发生爆管的原因与其所受的应力有关。基于此，本文采用理论计算和数值模拟的方法，对过热器管道进行应力应变场的分析。
2 物理模型
本文选用以SUPER304H材料的过热器管道为研究对象，其管道规格为（ID€譼/mm）60.0€？.0mm。由于过热器管道沿长度方向的尺寸远大于管道的直径，在计算过程中忽略管道的端面效应，认为在其长度方向无应变产生，因此可将该问题简化为平面应变问题。管道横截面结构如图1所示，SUPER304H钢的物理性能参数如表1所示。
3 过热器管道应力应变理论计算
过热器管道在受内压力P的作用下，在壁上的任意一点将产生三个方向的主应力：沿圆筒切线方向的切向应力 ，沿圆筒轴线方向的轴向应力 z及沿圆筒直径方向的径向应力 r，如图2所示。
4 过热器管道应力应变数值模拟计算
4.1 单元和材料属性选择
对super304过热器管道在稳态工况下进行结构应力场分析，单元采用solid186，材料的物理性能参数见表1。
4.2 载荷及边界条件
过热器管道主要承受载荷为内压，故在管道内表面均匀施加压力。如图1所示，在管道内加载35MPa的均布压力，管道温度为600℃，从而获得该压力和温度下的热应力应变关系；管道对称面采用对称约束，约束管道一端节点全部自由度，称为固定端；另一端不施加约束，称为自由端。为了模拟管道端部封闭的情况，将内压力载荷折算为作用在自由端面上的均布拉力Pz。
5 过热器管道应力应变计算结果分析
5.1 理论计算结果分析
在管道内施加P=35MPa的内力时，管壁的径向应力 r、切向应力 、轴向应力 z及合应力 v的理论应力值如图4所示。
图4反应了圆管所受应力与壁厚之间的变化关系。从图4（a）可以看出，切向应力和径向应力从内壁到外壁应力逐渐减小，而轴向应力保持不变，在内壁所受应力最大，而外壁最小。应变的变化过程与应力基本上相似。
5.2 模拟计算结果分析
在管道轴向Z=500处，沿壁厚方向取路径，得到合应力沿壁厚的曲线如图5所示。
沿壁厚路径提取数据，获得模拟解的等效合应力 v1与等效合应变 v1的数据（选取其中的部分点），其与理论解的等效合应力 v与等效合应变 v的变化关系如图6所示，图6表明，用有限元求解圆管的应力应变与理论值求解具有较好的一致性。数据比较如表3所示。
6 结论
（1）采用数值模拟计算与理论计算，对过热器管道的应力应变场进行了分析。表明有限元计算方法是一种精确、高效研究结构力学性能的方法，特别在复杂结构、多应力组合载荷下，塑性问题解析法求解困难时，利用ANSYS的APDL程序，可以完成连续的多载荷步弹塑性应力求解，优势明显。
（2）在承受内压的过热器管道三个方向的应力中，周向应力最大，其次是轴向应力，径向应力最小；内壁所受的应力、应变最大，最易发生材料屈服。
（3）过热器管道长期处于高温高压的工作环境，导致其长时间处于高应力状态，在管道内壁更为严重，致其容易产生裂纹及脆性断裂，影响过热器工作的安全性。
参考文献：
[1] Neelis ML，van der Kooi HJ，Geerlings JJC.Exergetic life cycle analysis of hydrogen production and storage systems for automotive application.Int J Hydrogen Energy 2004；29：537-45.
[2] Xu P，Zheng JY，Liu PF.Finite element analysis of burst pressure of composite hydrogen storage vessels.Mater Des 2009；30：2295-301.
[3] Perl M，Bernshtein V.3-D stress intensity factors for arrays of inner radial lunular or crescentic cracks in a typical spherical pressure vessels.Engng Fract Mech 2010；77：535-48.
[4] 张朝辉.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2008.
[5] 姜锡权.横向受压钢管吸能装置几个问题的探讨[J].炮兵学院学报，2000（1）：24-27.
[6] 周敏华，李晓谦.厚壁圆筒最佳自紧压力的有限元分析[J].现代制造工程，2008（8）：111-141.
[7] 袁承春.大容量电站锅炉锅筒压制焊接变形[J].石油化工设备，200433（4）：57-59.
[8] 桂树国.基于 ANSYS 参数化设计语言 APDL 的产品结构优化设计[J].大连：组合机床与自动化加工技术，2010（7）：91-97.
[9] 赵广臣，张善元.弹（粘）塑性圆柱壳轴向冲击屈曲的数值模拟[J].科学技术与工程，2008，8（2）：348-341.
[10] 李学斌.受径向冲击载荷圆柱壳瞬态响应的收敛性分析和比较研究[J].船舶科学技术，2006，28（6）：42-47.
关键词：超超临界锅炉 过热器管道 理论计算 数值模拟
中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-112-04
1 引言
超超临界（USC）机组一般指进汽压力高于27MPa，或蒸汽温度高于580℃的机组。电站锅炉中的高温受热面所处环境恶劣，易发生爆管、泄露等事故。过热器在工作过程中承载较大，如果设计不当，往往在使用过程中发生畸变，甚至爆破，因此对其力学性能进行分析研究是十分必要的。大量研究表明，过热器管道发生爆管的原因与其所受的应力有关。基于此，本文采用理论计算和数值模拟的方法，对过热器管道进行应力应变场的分析。
2 物理模型
本文选用以SUPER304H材料的过热器管道为研究对象，其管道规格为（ID€譼/mm）60.0€？.0mm。由于过热器管道沿长度方向的尺寸远大于管道的直径，在计算过程中忽略管道的端面效应，认为在其长度方向无应变产生，因此可将该问题简化为平面应变问题。管道横截面结构如图1所示，SUPER304H钢的物理性能参数如表1所示。
3 过热器管道应力应变理论计算
过热器管道在受内压力P的作用下，在壁上的任意一点将产生三个方向的主应力：沿圆筒切线方向的切向应力 ，沿圆筒轴线方向的轴向应力 z及沿圆筒直径方向的径向应力 r，如图2所示。
4 过热器管道应力应变数值模拟计算
4.1 单元和材料属性选择
对super304过热器管道在稳态工况下进行结构应力场分析，单元采用solid186，材料的物理性能参数见表1。
4.2 载荷及边界条件
过热器管道主要承受载荷为内压，故在管道内表面均匀施加压力。如图1所示，在管道内加载35MPa的均布压力，管道温度为600℃，从而获得该压力和温度下的热应力应变关系；管道对称面采用对称约束，约束管道一端节点全部自由度，称为固定端；另一端不施加约束，称为自由端。为了模拟管道端部封闭的情况，将内压力载荷折算为作用在自由端面上的均布拉力Pz。
5 过热器管道应力应变计算结果分析
5.1 理论计算结果分析
在管道内施加P=35MPa的内力时，管壁的径向应力 r、切向应力 、轴向应力 z及合应力 v的理论应力值如图4所示。
图4反应了圆管所受应力与壁厚之间的变化关系。从图4（a）可以看出，切向应力和径向应力从内壁到外壁应力逐渐减小，而轴向应力保持不变，在内壁所受应力最大，而外壁最小。应变的变化过程与应力基本上相似。
5.2 模拟计算结果分析
在管道轴向Z=500处，沿壁厚方向取路径，得到合应力沿壁厚的曲线如图5所示。
沿壁厚路径提取数据，获得模拟解的等效合应力 v1与等效合应变 v1的数据（选取其中的部分点），其与理论解的等效合应力 v与等效合应变 v的变化关系如图6所示，图6表明，用有限元求解圆管的应力应变与理论值求解具有较好的一致性。数据比较如表3所示。
6 结论
（1）采用数值模拟计算与理论计算，对过热器管道的应力应变场进行了分析。表明有限元计算方法是一种精确、高效研究结构力学性能的方法，特别在复杂结构、多应力组合载荷下，塑性问题解析法求解困难时，利用ANSYS的APDL程序，可以完成连续的多载荷步弹塑性应力求解，优势明显。
（2）在承受内压的过热器管道三个方向的应力中，周向应力最大，其次是轴向应力，径向应力最小；内壁所受的应力、应变最大，最易发生材料屈服。
（3）过热器管道长期处于高温高压的工作环境，导致其长时间处于高应力状态，在管道内壁更为严重，致其容易产生裂纹及脆性断裂，影响过热器工作的安全性。
参考文献：
[1] Neelis ML，van der Kooi HJ，Geerlings JJC.Exergetic life cycle analysis of hydrogen production and storage systems for automotive application.Int J Hydrogen Energy 2004；29：537-45.
[2] Xu P，Zheng JY，Liu PF.Finite element analysis of burst pressure of composite hydrogen storage vessels.Mater Des 2009；30：2295-301.
[3] Perl M，Bernshtein V.3-D stress intensity factors for arrays of inner radial lunular or crescentic cracks in a typical spherical pressure vessels.Engng Fract Mech 2010；77：535-48.
[4] 张朝辉.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2008.
[5] 姜锡权.横向受压钢管吸能装置几个问题的探讨[J].炮兵学院学报，2000（1）：24-27.
[6] 周敏华，李晓谦.厚壁圆筒最佳自紧压力的有限元分析[J].现代制造工程，2008（8）：111-141.
[7] 袁承春.大容量电站锅炉锅筒压制焊接变形[J].石油化工设备，200433（4）：57-59.
[8] 桂树国.基于 ANSYS 参数化设计语言 APDL 的产品结构优化设计[J].大连：组合机床与自动化加工技术，2010（7）：91-97.
[9] 赵广臣，张善元.弹（粘）塑性圆柱壳轴向冲击屈曲的数值模拟[J].科学技术与工程，2008，8（2）：348-341.
[10] 李学斌.受径向冲击载荷圆柱壳瞬态响应的收敛性分析和比较研究[J].船舶科学技术，2006，28（6）：42-47.