[发明专利]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

说明书

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。

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。