考虑制造影响的凝汽器壳体外压稳定性分析.pdf

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1、第54卷第2期2017年4月北工设置与一遁PROCESSEQUIPMENT&PIPING、，01．54No．2Apr．2017考虑制造影响的凝汽器壳体外压稳定性分析王珂，裘小裕，钱小东，俞志俊(杭州中能汽轮动力有限公司，杭州310018)摘要：正常工况下，凝汽器壳程在真空下操作，属于外压工况。为研究外载荷作用下凝汽器外壳的稳定性，建立了凝汽器外壳非线性屈曲分析方法，分析了结构对屈曲载荷的影响，并选择制造引起的壳体不圆度为预加缺陷，通过比较屈曲载荷等参数的变化规律，考察制造因素对外压稳定性的影响。结果表明

2、，凝汽器外壳属于极值屈曲；进汽口结构对屈曲载荷的影响最为显著；热井结构能够在一定程度上平衡壳体两侧缺陷，弱化进汽口带来的影响，小幅提高外压稳定性；外壳的外压稳定性对不圆度的敏感性较低。关键词：凝汽器；外压稳定性；缺陷；非线性屈曲中图分类号：TQ050．2：TH123文献标识码：A文章编号：1009．3281(2017)02．00015．006凝汽器属于表面式换热器【1】，冷却水走管程吸热，使水蒸气凝结，维持进汽口真空度，以保证汽轮机的稳定、可靠运行。因此，正常工况下凝汽器汽侧压力低于大气压，壳体属于外压

3、工况。凝汽器在外压作用下，其壳体可能会出现两种失效模式，即受压屈服失效和外压失稳失效[2-3]o前者属于强度失效，后者属于刚度失效。凝汽器外壳属于薄壁壳体，失效形式倾向于刚度失效，即随外载荷的不断提升，壳体突然失去原有形状，且过程不可逆，卸去载荷后不能恢复初始形状。通常，强度失效时壳体内的应力水平远高于外压失稳引起的壳体刚度失效。因此，在校核此类外压容器时，单一的强度分析并不能保证设备安全、可靠地运行。在壳体产生外压屈曲的过程中，初始的几何缺陷是重要的因素之一【4】。而在实际加工中，壁厚分布不均等几何缺

4、陷不可避免，通常使实际的屈曲载荷小于理论预测值，相关标准已限制了制造偏差的允许范围，例如，GB150中规定容器不圆度上限为1％【5]。研究表明，具有理想形状的圆筒有良好的外压稳定性，引入微小缺陷时，屈曲载荷大幅降低，如图1所示[6-9]当不圆度达到0．2％时，屈曲载荷迅速下降为理想圆筒的17％。因此，当产生不圆度时，设备的外压承载能力迅速降低，使其存在一定的安全隐患。而根据工程经验，凝汽器直径可达数米，筒身可长达10m以上，需要考虑制造过程对于设备外压稳定性的影响。0．0000．0050．0100．01

5、50．020不圆度胍图1屈曲载荷随不圆度的变化Fig．1Theinfluenceofout-of-roundnessonthebucklingload相较一般换热器，凝汽器外壳并非理想筒体，具有进汽口及热井等结构。进汽口对接汽轮机，热井通过储水保证后续抽凝泵的稳定工作。但是两种结构尺寸较大，在外压屈曲的过程中相当于预制缺陷，能够引导失效形式与失效位置。同时，二者破坏了设备的中心对称性，同样会降低凝汽器外壳的屈曲载荷。本文以凝汽器外壳作为研究对象，将不圆度作收稿日期：2016—12—28作者简介：王珂(1

6、989一)，男，浙江嵊州人，助理工程师。主要从事汽轮机辅机的设计与开发。864208642l1O0日鲁∈龌褥墨睡化工设■与■汪第54卷第2期为指标量化制造过程对壳体几何形状的影响，还原壳体的真实外形，并以不同结构及初始不圆度为条件，采用ANSYS对外压工况进行非线性屈曲分析，比较分析凝汽器外壳屈曲载荷的变化规律‘101。1凝汽器的有限元分析ANSYS为屈曲分析提供了两种分析方法，分别为特征值屈曲分析及非线性屈曲分析陋·u-t3]。1．1特征值屈曲特征值屈曲分析是将非线性问题做线性化假设，忽略了结构的刚度

7、软化，缺陷的形式与位置不可控，比例因子按照经验选取，其计算结果更加接近于对称分支屈曲时的载荷，而在求解极值屈曲时可能出现较大偏差。1．2非线性屈曲非线性屈曲则是通过考虑大变形效应，使用牛顿法求解进行非线性计算。当载荷逐渐增大至临界点时，牛顿法收敛性较差，可使用弧长法求得屈曲载荷，使计算进入后屈曲n41。相较于特征值屈曲的方法，非线性屈曲方法的计算量较大，求解缓慢，但对于极值屈曲有较好的适用性。1．3稳定性判据在有限元分析中，判别平衡状态采用能量准则，将变形结构与外载荷等视作一个力学系统，总势能为仃，并假

8、设能量最小时系统稳定。因此，平衡方程可以从总势能的一阶变分得到，而二阶变分的正负则可判断方程是否稳定。将能量准则作为判别基本平衡状态的准则，即包括变形结构和外载荷在内的力学系统具有总势能刀，如果总能量达到最小，则基本平衡扰动是稳定的。因此，可以由总势能的一阶变分得到平衡方程，而平衡方程的稳定与否，可以由总势能的二阶变分的正负来判断”“。82H=SulKTau(1)珞=／Co+甄+K。(2)式中“——结构位移；厨——“的总刚度矩阵；繇一单元的