概述

　　閥門或壓力容器的熱應力分析屬于熱結構的耦合分析。自然界中電場、磁場、流場、結構場與溫度場之間的關系是相互聯(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，計算應力值與對應溫度下的許用應力值做比較考慮熱對結構的影響。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，甚至得到錯誤的結果。計算機技術的發(fā)展使多場耦合分析成為可能。本文應用有限元分析軟件，對閥門的壓應力與熱應力的耦合問題進行分析探討。

壓應力與熱應力的關系

　　以一個直管道為例，應用ANSYS Workbench 軟件計算壓應力與熱應力耦合應力。選取管道內徑φ100mm，壁厚12mm，管道長度300mm。在管道內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力評定線，用于考核當管道壁厚發(fā)生變化時，壓應力與熱應力耦合后的復合應力的變化情況( 圖1) 。

圖1 管道復合應力變化情況

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

圖2 管道壁厚與復合應力的變化關系

　　(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)據進行對比，應力值相差較小，可以認為沒有影響。但在計算熱應力時，如果閥體左端面固定約束，則閥體熱膨脹的需求受到抑制，將在閥體左端面產生巨大的應力奇異，有時應力值高達上千兆帕。為了避免此種應力對分析結果的誤導，通常在閥體左側端面加一段直管道( 管道長度為管徑的5 倍) ，在管道的左側施加固定約束，使應力奇異發(fā)生在管道上( 圖3) ，以便于閥體的分析。

圖3 閥體左側施加管道模型

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

　　(3) 通過對閥體內表面溫度載荷300℃，外表面對流換熱系數(shù)6.7W/(m2·℃) 及閥體內表面溫度載荷300℃，外表面溫度298. 5℃兩種工況的應力值對比分析，應力評定線上的應力強度值在同一數(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，以降低熱應力的影響) 。因此，應該根據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)) ，來減小熱應力對閥門的損壞。因此，此處的熱應力數(shù)值幾乎可以忽略不計。

結語

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