石乾宇，陳建龍，王志堅(jiān)

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

基于譜分析的高壓加熱器地腳螺栓校核

石乾宇，陳建龍，王志堅(jiān)

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

基于給定設(shè)備樓層的反應(yīng)譜，采用有限元方法對(duì)某高壓加熱器進(jìn)行了譜分析，計(jì)算固定支座底端的水平支反力和傾覆力矩，并對(duì)地腳螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，為高壓加熱器及其它臥式容器地腳螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供的參考。

高壓加熱器；譜分析；螺栓；強(qiáng)度；校核；有限元；設(shè)計(jì)；分析

0　概述

高壓加熱器是核電和火電回?zé)嵯到y(tǒng)中的重要設(shè)備，可提高機(jī)組的熱效率。對(duì)高壓加熱器地腳螺栓的強(qiáng)度校核，一般參照NB/T47042—2014《臥式容器》標(biāo)準(zhǔn)［1］，對(duì)處于較高樓層或核電廠等重要場(chǎng)合的高壓加熱器而言，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其地腳螺栓的計(jì)算校核，僅采用《臥式容器》標(biāo)準(zhǔn)已不太合適。

目前，國(guó)內(nèi)外的抗震計(jì)算，通常采用三種方法，等效靜力法、譜分析法和時(shí)程分析法。對(duì)于比較重要的設(shè)備，譜分析是抗震計(jì)算中一個(gè)較好的選擇。譜分析在精確度上優(yōu)于等效靜力法，在計(jì)算成本上又遠(yuǎn)低于時(shí)程分析法?，F(xiàn)根據(jù)給定的樓層反應(yīng)譜，對(duì)某型高壓加熱器進(jìn)行了譜分析，通過提取固定支座底端的水平支反力和傾覆力矩，校核了地腳螺栓的強(qiáng)度。

1　基本設(shè)計(jì)參數(shù)及模型簡(jiǎn)化

1.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

地震時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生的地震響應(yīng)與設(shè)備質(zhì)量有很大關(guān)系。設(shè)備在運(yùn)行中質(zhì)量最大，地震響應(yīng)值也最大。所以，在地震作用下的高壓加熱器分析應(yīng)按照操作狀態(tài)進(jìn)行［2］。該高壓加熱器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

1.2 模型簡(jiǎn)化

由于高壓加熱器這一類的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而反應(yīng)譜分析一般應(yīng)建立設(shè)備的全模型，考慮到計(jì)算的順利完成，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

表1　高加基本設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）將管系及換熱管內(nèi)水的質(zhì)量，以增加密度的方式等效到殼體，殼體內(nèi)水的質(zhì)量，等效成質(zhì)量點(diǎn)，并與殼體內(nèi)壁水位線以下部分的質(zhì)量連接。

（2）忽略質(zhì)量較小的接管。

（3）管板開孔區(qū)按等效管板處理［3］。

（4）設(shè)備滑動(dòng)支座的滑輪與地面間的摩擦作用很小，故計(jì)算時(shí)不予考慮。

（5）取阻尼比為0.02樓層反應(yīng)譜。

2　譜分析計(jì)算

數(shù)值計(jì)算采用Ansys Workbench15.0大型通用有限元軟件。有限元模型選用實(shí)體單元Solid186，模型共有349876個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立的有限元模型，如圖1所示。

圖1　有限元模型

2.1 模態(tài)分析

譜分析是基于各階模態(tài)響應(yīng)疊加求取總響應(yīng)的方法，即首先進(jìn)行模態(tài)分析，求出各階模態(tài)頻率及各階振型參與系數(shù)，根據(jù)模態(tài)頻率，從地震譜中選擇對(duì)應(yīng)的地震加速度，計(jì)算在該階頻率下對(duì)地震加速度的響應(yīng)，依據(jù)各階振型對(duì)某項(xiàng)反應(yīng)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行線性疊加，得到這項(xiàng)反應(yīng)的最大值，按照一定的合成方法（如SRSS或CQC）及一定的合成順序?qū)憫?yīng)進(jìn)行合成［4］。因此，在譜分析前，首先應(yīng)進(jìn)行模態(tài)分析。

在固定支座底面施加全約束，在滑動(dòng)支座底面限制其X和Y方向位移。為得到較準(zhǔn)確的譜分析結(jié)果，模態(tài)分析提取的最高階次的頻率值應(yīng)大于樓層反應(yīng)譜最大頻率［5］。由于給定的樓層反應(yīng)譜頻率最大值為33 Hz，所以，文中提取前12階模態(tài)結(jié)果。前12價(jià)的模態(tài)頻率，如表2所示。提取的前四階模態(tài)振型，如圖2所示。

圖2　提取的前四階模態(tài)振型

表2　前12階模態(tài)頻率

2.2 譜分析

完成模態(tài)分析后，利用多點(diǎn)譜分析（MPRS）方法，在模型固定支座和滑動(dòng)支座底面，分別施加阻尼比為0.02的樓層反應(yīng)譜，如圖3所示。模態(tài)組合采用完全平方組合法（CQC）［6］。

圖3　樓層反應(yīng)譜

譜分析后，高壓加熱器的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。由于樓層反應(yīng)譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率在1Hz～2Hz，而高壓加熱器的一階頻率就達(dá)14.3Hz，實(shí)際對(duì)應(yīng)高壓加熱器低頻段的樓層反應(yīng)譜值很低，所以，總體的應(yīng)力值較低。

2.3 地腳螺栓校核

在譜分析結(jié)果中，提取固定支座的水平支反力和傾覆力矩為：

水平支反力E=48 365 N

傾覆力矩M=136 330 N·m

固定支座地腳螺栓應(yīng)力校核［1］：

圖4　譜分析應(yīng)力分布云圖

剪應(yīng)力：

拉應(yīng)力：

其中n′—承受剪應(yīng)力地腳螺栓個(gè)數(shù)，4個(gè)；

n—承受拉應(yīng)力地腳螺栓個(gè)數(shù)，2個(gè)；

k0—載荷組合系數(shù)，1.2；

A—每個(gè)螺栓橫截面積，314.16 mm2；

［σ］bt—地腳螺栓許用應(yīng)力，147 MPa；

l—筒體軸線兩側(cè)螺栓間距，1720 mm。

3　結(jié)語

采用譜分析，對(duì)高壓加熱器進(jìn)行了抗震計(jì)算，可較為精確地得到其在地震載荷作用下的響應(yīng)，為高壓加熱器乃至臥式容器地腳螺栓的強(qiáng)度校核提供參考。因譜分析只適用于線性計(jì)算，所以在計(jì)算時(shí)，將換熱管與隔板間的接觸、管系與殼體間的接觸以及液體晃動(dòng)等非線性因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化，若考慮這些因素，必須采用計(jì)算成本更高的時(shí)程分析法。

［1］NB/T47042—2014.臥式容器［S］.

［2］陳志偉，楊國(guó)義，君立軍.大型塔器地震時(shí)程響應(yīng)分析［J］.壓力容器，2013，30（3）：32-33.

［3］GB/T 151-2014，熱交換器［S］.

［4］劉敏，陸智勇.等效靜力法及響應(yīng)譜法在管道抗震中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)備與管道，2012，49（4）：55-56.

［5］ANSYS，Inc.，ANSYS Mechanical User's Guide for Release15. 0.ANSYS，Inc.，2013.

［6］GB 50267-1997.核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Check of Anchor Bolt for HP Heater Based on Spectrum Analysis

SHI Qian-yu，CHEN Jian-long，WANG Zhi-jian
（Harbin Boiler Company Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

The seismic response spectral analysis of the HP heater with FEA has been carried out based on the given floor response spectrum.Horizontal reaction force and overturning moment of the fixed saddle have been calculated and the stress of anchor bolt has been checked，which provide reference for anchor bolt stress design of HP heater and other horizontal vessels.

HP heater；spectral analysis；bolt；strength；check；finite element；design；analysis

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0012-03

2015-10-21

石乾宇（1987-），男，工程師，碩士，畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，從事電站輔機(jī)和壓力容器的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。