1問題描述

某蒸發量為6t/h、額定壓力為1.27MPa的蒸汽鍋爐，給水管連接在后管板上。給水管的規格為φ76mmX4mm，管板厚度16mm，給水管與管板的焊腳尺寸為4mm，計算中給水管外伸長度為300mm，伸入鍋爐內部100mm，結構簡圖如圖1所示；材料參數見表1。現分析連續給水和20min間斷給水條件下的給水管的穩態溫度場、瞬態溫度場及相應的熱應力。

圖1 給水管簡圖

表1 不同溫度下的材料參數

給水溫度為50℃，鍋內飽和水溫度為190.7℃。連續給水時水流速度為0.459m/s，20min間斷供水時水流速度為1.377m/s。假設間斷供水開始時給水管內水溫度與鍋內飽和水溫度相等。

按照《鍋爐計算手冊》（宋貴良主編），可計算出連續給水時管內的傳熱膜系數為2289.5 W/(m2·℃)，20min間斷供水時管內熱水傳熱膜系數為8947.1 W/(m2·℃)，20min間斷供水時管內冷水傳熱膜系數為5513.6 W/(m2·℃)。

給水管浸入飽和水表面（外側）的傳熱為自然對流。假設管子外壁溫度與飽和水溫差為20℃（簡化計算），可計算出管外傳熱膜系數為1792.4 W/(m2·℃)。同樣可以計算出管板內側表面的傳熱膜系數為1094 W/(m2·℃)。

管板外表面及給水外伸部分的外側表面為絕熱。

2 穩態熱應力分析

采用2D軸對稱模型分析，在Workbench的Engineering Data按表1輸入不同溫度下的材料參數。由于給水管與管板連接位置溫度梯度和熱應力可能較大，因此該區域局部網格加密。

圖2 模型網格

模型網格總共6652個節點，1957個單元，偏度最大值為0.66，平均偏度為0.05。設置計算得到的三個對流邊界條件，如圖3所示。

圖3 邊界條件

計算得到結構的穩態溫度場如圖4所示。從圖5的應力強度云圖可知，熱應力最大值為285.36MPa，出現在給水管內壁。該位置材料溫度為100℃左右，屈服應力（材料為20鋼）為220MPa，可見材料已經發生屈服。

圖4 穩態溫度場

圖5 穩態熱應力場（應力強度）

3瞬態熱應力分析

20min間斷供水開始時，金屬溫度為飽和水的溫度，即190.7℃。在進行瞬態溫度場分析時，認為50℃冷水按照1.377m/s的速度均均向前推進，通過給水管的時間為0.302s。為了計算最后達到穩定傳熱是的溫度場，計算最終時間為300s。分析中共采用了18個載荷步，如表2所示。

表2 熱分析載荷步

在Workbench的瞬態熱分析中默認設置的初始溫度是整個結構均勻一致，如果初始溫度不一致，可先進行一次穩態熱分析，然后把穩態熱分析的溫度場結果作為瞬態熱分析的初始溫度。在本例中，結構的初始溫度均勻一致，為190.7℃。

圖6 瞬態溫度場（1s）

圖7 瞬態溫度場（10s）

圖8 瞬態溫度場（40s）

圖6到圖8給出了不同時間下的瞬態溫度場云圖，取管子內表面為路徑，可以得到不同時刻的溫度分布情況，如圖9所示。圖中橫坐標為到零時刻冷熱水交界面的距離。可以看出，0.2s、0.5s、1s時的溫度曲線呈現明顯的臺階狀（這是由于熱分析邊界條件采用與時間步對應的階越方式，如果時間步足夠小，臺階將消失）。同時，2s、5s、10s、40s的溫度曲線在與管板連接區域有明顯的“凸臺”，這是因為管板將熱量源源不斷地傳送到水管上。在40s時，溫度逐漸趨于穩定。

圖10 給水管內壁溫度分布曲線

圖11 給水管內壁應力強度分布曲線

圖10給出了1s、2s、5s、10s、40s時給水管內壁的應力強度曲線。與圖9的情況類似，最終的應力峰值出現在與管板交界的區域。圖11為300s時的應力強度云圖，屈服區域明顯變大，最大應力強度增加至332.34MPa，比連續給水時高出16%。

圖12 300s時瞬態應力場（應力強度）

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