锅炉给水管热应力分析
本文研究了某蒸汽锅炉在给水管连续和间断供水条件下的稳态与瞬态热应力。通过计算，确定了连续供水时管内传热膜系数为2289.5 W/(m²·℃)，间断供水时热水传热膜系数为8947.1 W/(m²·℃)，冷水传热膜系数为5513.6 W/(m²·℃)。稳态分析显示，给水管内壁热应力最大值达到285.36MPa，已发生屈服。瞬态分析揭示了给水管在不同时刻的温度和应力分布情况，特别是与管板连接区域的温度“凸台”和应力峰值。300s时，最大应力强度增加至332.34MPa，比连续供水时高出16%。
1 问题描述
某蒸发量为6t/h、额定压力为1.27MPa的蒸汽锅炉，给水管连接在后管板上。给水管的规格为φ76mmX4mm，管板厚度16mm，给水管与管板的焊脚尺寸为4mm，计算中给水管外伸长度为300mm，伸入锅炉内部100mm，结构简图如图1所示；材料参数见表1。现分析连续给水和20min间断给水条件下的给水管的稳态温度场、瞬态温度场及相应的热应力。
给水温度为50℃，锅内饱和水温度为190.7℃。连续给水时水流速度为0.459m/s，20min间断供水时水流速度为1.377m/s。假设间断供水开始时给水管内水温度与锅内饱和水温度相等。
按照《锅炉计算手册》（宋贵良主编），可计算出连续给水时管内的传热膜系数为2289.5 W/(m²·℃)，20min间断供水时管内热水传热膜系数为8947.1 W/(m²·℃)，20min间断供水时管内冷水传热膜系数为5513.6 W/(m²·℃)。
给水管浸入饱和水表面（外侧）的传热为自然对流。假设管子外壁温度与饱和水温差为20℃（简化计算），可计算出管外传热膜系数为1792.4 W/(m²·℃)。同样可以计算出管板内侧表面的传热膜系数为1094 W/(m²·℃)。
管板外表面及给水外伸部分的外侧表面为绝热。
2 稳态热应力分析
采用2D轴对称模型分析，在Workbench的Engineering Data按表1输入不同温度下的材料参数。由于给水管与管板连接位置温度梯度和热应力可能较大，因此该区域局部网格加密。
模型网格总共6652个节点，1957个单元，偏度最大值为0.66，平均偏度为0.05。设置计算得到的三个对流边界条件，如图3所示。
计算得到结构的稳态温度场如图4所示。从图5的应力强度云图可知，热应力最大值为285.36MPa，出现在给水管内壁。该位置材料温度为100℃左右，屈服应力（材料为20钢）为220MPa，可见材料已经发生屈服。
3 瞬态热应力分析
在Workbench的瞬态热分析中默认设置的初始温度是整个结构均匀一致，如果初始温度不一致，可先进行一次稳态热分析，然后把稳态热分析的温度场结果作为瞬态热分析的初始温度。在本例中，结构的初始温度均匀一致，为190.7℃。
图6到图8给出了不同时间下的瞬态温度场云图，取管子内表面为路径，可以得到不同时刻的温度分布情况，如图9所示。图中横坐标为到零时刻冷热水交界面的距离。可以看出，0.2s、0.5s、1s时的温度曲线呈现明显的台阶状（这是由于热分析边界条件采用与时间步对应的阶越方式，如果时间步足够小，台阶将消失）。同时，2s、5s、10s、40s的温度曲线在与管板连接区域有明显的“凸台”，这是因为管板将热量源源不断地传送到水管上。在40s时，温度逐渐趋于稳定。
图10给出了1s、2s、5s、10s、40s时给水管内壁的应力强度曲线。与图9的情况类似，最终的应力峰值出现在与管板交界的区域。图11为300s时的应力强度云图，屈服区域明显变大，最大应力强度增加至332.34MPa，比连续给水时高出16%。
