概述

　　閥門或壓力容器的熱應(yīng)力分析屬于熱結(jié)構(gòu)的耦合分析。自然界中電場、磁場、流場、結(jié)構(gòu)場與溫度場之間的關(guān)系是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實工程問題往往不是單一場問題，多數(shù)涉及多場耦合問題。由于受到計算方法的限制，在工程計算中，往往使用經(jīng)驗計算公式進行單場疊加計算求解耦合場計算問題。例如，壓力容器計算往往先進行獨立的壓力場分析，計算應(yīng)力值與對應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力值做比較考慮熱對結(jié)構(gòu)的影響。這種單場疊加計算耦合場的方法有時是可以接受的，但有些問題的計算精度不能達到要求，甚至得到錯誤的結(jié)果。計算機技術(shù)的發(fā)展使多場耦合分析成為可能。本文應(yīng)用有限元分析軟件，對閥門的壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的耦合問題進行分析探討。

壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的關(guān)系

　　以一個直管道為例，應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件計算壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合應(yīng)力。選取管道內(nèi)徑φ100mm，壁厚12mm，管道長度300mm。在管道內(nèi)表面施加恒定溫度載荷300℃，管道外壁施加對流換熱系數(shù)，管道內(nèi)表面施加壓力載荷10MPa，管道左端面施加固定約束。在管道中截面處選取垂直穿過管道壁厚的應(yīng)力評定線，用于考核當管道壁厚發(fā)生變化時，壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合后的復(fù)合應(yīng)力的變化情況( 圖1) 。

圖1 管道復(fù)合應(yīng)力變化情況

　　根據(jù)計算結(jié)果( 圖2) 分析，當管道壁厚在12 ～13. 5mm 時，隨著管道壁厚的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，復(fù)合應(yīng)力逐漸減小。當管道壁厚在14 ～ 16mm時，隨著管道壁厚的增加，熱應(yīng)力逐漸增加，復(fù)合應(yīng)力逐漸增加。由此可以看出壓力容器設(shè)計時，當考慮熱應(yīng)力影響的時候，并不是容器壁厚越厚越安全，壁厚的增加會引起熱應(yīng)力的迅速增加。根據(jù)軟件優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論顯示，當管道壁厚為13. 83mm 時，壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合后的復(fù)合應(yīng)力最小。因此，在管道設(shè)計時，可以選擇最合理壁厚為13. 83mm。

圖2 管道壁厚與復(fù)合應(yīng)力的變化關(guān)系

　　(1) 通過對各工況下的閥體左端面施加固定約束或者無摩擦滑動約束的分析數(shù)據(jù)進行對比，應(yīng)力值相差較小，可以認為沒有影響。但在計算熱應(yīng)力時，如果閥體左端面固定約束，則閥體熱膨脹的需求受到抑制，將在閥體左端面產(chǎn)生巨大的應(yīng)力奇異，有時應(yīng)力值高達上千兆帕。為了避免此種應(yīng)力對分析結(jié)果的誤導(dǎo)，通常在閥體左側(cè)端面加一段直管道( 管道長度為管徑的5 倍) ，在管道的左側(cè)施加固定約束，使應(yīng)力奇異發(fā)生在管道上( 圖3) ，以便于閥體的分析。

圖3 閥體左側(cè)施加管道模型

　　(2) 由分析結(jié)論可知，在只有內(nèi)表面溫度載荷的情況下，應(yīng)力數(shù)值較小。因為，沒有溫差就沒有熱量的傳遞。因此，只施加內(nèi)表面溫度載荷將產(chǎn)生錯誤的分析結(jié)果。

　　(3) 通過對閥體內(nèi)表面溫度載荷300℃，外表面對流換熱系數(shù)6.7W/(m2·℃) 及閥體內(nèi)表面溫度載荷300℃，外表面溫度298. 5℃兩種工況的應(yīng)力值對比分析，應(yīng)力評定線上的應(yīng)力強度值在同一數(shù)量級，而且數(shù)值相差較小，可以認為，這兩種載荷的施加都是正確的。在做分析計算時，可以二者選一。但是，對流換熱系數(shù)較難獲得，需要對閥門所在的不同系統(tǒng)以及周圍的環(huán)境溫度進行單獨的測
量。而外表面溫度也不容易得到( 電站閥門現(xiàn)場外表面做保溫處理，以降低熱應(yīng)力的影響) 。因此，應(yīng)該根據(jù)具體的閥門使用情況來選用不同的載荷。

　　(4) 如果外表面絕熱，將沒有溫差，沒有溫差就沒有熱應(yīng)力。閥門現(xiàn)場都是將閥門外表面做保溫處理( 理想的認為閥門處于絕熱狀態(tài)) ，來減小熱應(yīng)力對閥門的損壞。因此，此處的熱應(yīng)力數(shù)值幾乎可以忽略不計。

結(jié)語

　　壓力容器設(shè)計時，當容器內(nèi)外壁溫差較大，引起熱應(yīng)力時，應(yīng)該進行壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的耦合計算，壁厚也可通過優(yōu)化分析選取最佳值。熱應(yīng)力分析時，應(yīng)根據(jù)實際問題設(shè)定邊界條件，防止影響計算結(jié)果。