算例丨基于ANSYS Workbench的锅炉给水管稳态和瞬态热应力分析

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。

图1 给水管简图

表1 不同温度下的材料参数

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。

图2 模型网格

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。

图3 边界条件

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。

图4 稳态温度场

图5 稳态热应力场（应力强度）

3. 瞬态热应力分析

20min间断供水开始时，金属温度为饱和水的温度，即190.7℃。在进行瞬态温度场分析时，认为50℃冷水按照1.377m/s的速度均均向前推进，通过给水管的时间为0.302s。为了计算最后达到稳定传热是的温度场，计算最终时间为300s。分析中共采用了18个载荷步，如表2所示。

表2 热分析载荷步

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7 瞬态温度场（10s）

图8 瞬态温度场（40s）

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 给水管内壁温度分布曲线

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%。

图12 300s时瞬态应力场（应力强度）