王小翠
(阿尔斯通(武汉)工程技术有限公司 430000)
摘要：针对核电站冷凝器水室的不规则形状，仅根据该设备的设计规范HEI无法计算出该设备水室的设计壁厚，因此，通过综合运用常规压力容器强度设计及有限元应力分析等方法进行反复论证，可以顺利对该结构进行结构设计，并为未来冷凝器水室结构的设计提供更多可参考依据。
关键词：核电站 冷凝器 水室 有限元应力分析法
在核电站中，位于常规岛厂房中用于冷却汽轮机出口蒸汽的冷凝器在核电站的运行中起着至关重要的作用，冷凝器的体积较大，百万千瓦级电站的冷凝器重量基本都在千吨以上，它的尺寸、重量及强度设计的安全性是影响核电站总体布置及安全运行的重要因素，冷凝器的水室一般由4－6个组成，总重量也在百吨以上，水室是一个不规则的形状，开孔较大(R=1219mm)，接管（冷却水进出水管）处有较大接管外载荷。
1.国内外现状及存在的关键问题
目前，大型冷凝器的水室均由碳钢钢板焊接而成，水室的外形和结构主要取决于管板管束的外形等因素。在国外出现过由于该处设计缺陷而导致电站系统不得不停机检修的情况，同时核电站的安全运行又关系着人们的生命财产安全，因此，冷凝器水室的强度计算必须是一个值得重视的工作，该设备的设计执行美国的HEI（heat exchange institute）steam surface condenser规范.
HEI steam surface condenser 8.2.5.1中用于计算水室壁厚的公式如下:
我们以国内某核电站冷凝器的设计为例进行研究，
PD: 计算压力0.6MPa
KD: 不连续面影响系数，取决于几何形状
R: 水室上半径较大的弧形壳体半径为2100mm
SA: 材料许用应力为138 MPa
e: 焊缝系数1
该公式不难理解，当我们与GB150中薄壁圆筒内压公式对比，不难发现该公式主要就是多了系数KD，而公式中的系数KD在HEI中只提到其取决于几何特性，并未根据具体情况在HEI中指定或给出建议，因此，根据该规范无法确定水室各部分的壁厚tp。可见，系数KD就是解决问题的关键。
针对该问题，国内外很多公司无统一的常规计算方法，主要根据自己的经验用不同的方法确定该数值。
下面介绍一种方法，先由常规的压力容器圆筒强度计算的方法初步确定厚度，然后通过有限元分析的方法进行验证，以最终确定该水室不规则壳体的壁厚。
2.压力容器圆筒计算法
我们可以将水室上的弧形壳体(R=2100mm)近似为常见的压力容器薄壁圆筒，借助软件Microprotol按设计规范AD2000及WRC107进行如下计算：
?AD2000计算弧形壳体(R=2100mm)内压下的强度
?AD2000计算冷却水进出水管(R=1219mm)在弧形壳体(R=2100mm)上的开孔补强
?WRC107计算接管外载下的壳体局部应力
根据上述强度要求可以初步计算并圆整出弧形壳体的最小壁厚tp=30mm。
3.有限元应力分析法
在考虑接管载荷的情况下，用ANSYS进行进行应力应变分析计算，分析部件在操作工况及水压试验工况下的应力应变分布情况，进一步验证设备的安全性。
试验工况下的应变 操作工况下的应变
上图分别是部件在试验工况及操作工况下的应力应变云图，显而易见，最大应力发生在水室壳体的不连续区域及壳体与接管焊接的不连续区域处，最大应变发生在较大壳体中间区域（红色部位），因此，我们在用压力容器薄壁圆筒法进行强度设计及校核时要特别注意该区域的受力情况，关注接管外载作用下的壳体应力，同时在用ANSYS进行模型的网格划分时也要注意不连续区域网格划分是否合理。
4.结论
KD是计算冷凝器水室的一个重要技术参数，本文介绍了近似为压力容器圆筒的方法得出初步估计的壁厚数据，同时利用有限元分析法验证了水室在设计工况及试验工况各种载荷作用下的应力应变情况。
结合上述两种方法是进行该水室强度计算可行且可靠的方法，但如果是在投标阶段，报价周期通常很短，局部结构设计中可投入的人力和时间相当有限。因此，找出简单可靠且快速的计算方法是该课题拟解决的关键问题。
经反复经验推断，我们可以将上述近似计算且经有限元分析法验证后的壁厚30mm代入HEI中的公式中，推导出系数KD的值约为3.2～3.3，在各种设计输入类似的情况下，可以利用该KD值代入HEI的公式中快速的估算出水室初步壁厚，作为投标报价时的依据。
研究水室的应力分析有利于顺利推动项目在执行阶段的设计进度，并为以后类似项目的执行提供参考及依据，为未来水室结构的创新设计提供更多可能。
作者简介:
姓名:王小翠(1983)、性别:女、民族:汉、籍贯;贵州遵义 职称: 工程师、学历:本科、研究方向:化工设备及电站设备设计
论文作者:王小翠
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/25
标签：冷凝器论文; 壳体论文; 应力论文; 工况论文; 核电站论文; 圆筒论文; 强度论文; 《电力设备》2016年第12期论文;