1 前言
汽水分离器的工作原理：大量含水的蒸汽进入汽水分离器，并在其中以离心向下倾斜式运动；所夹带的水分由于速度降低而被分离出来；被分离的液体流经筒体下部疏水阀排出，干燥清洁的蒸汽从分离器上部的蒸汽出口排出。为使含水蒸汽在进入分离器内能离心向下运动，蒸汽入口接管采用切向斜接结构，这样蒸汽进来时所夹带的水滴就能沿内壁螺旋向下运动，蒸汽由于密度小，则向上运动，达到汽水分离的效果。蒸汽进口结构简图如图1。
图1 结构简图
该汽水分离器主要技术参数如表1。
表1 设备主要参数
注：1.本文仅分析设备启动工况，暂不考虑疲劳。
2.两个蒸汽进口接管与外部管道作用的力和力矩由设计院提供，其数值如表2。
表2 接口产生的力和力矩的大小
在汽水分离器运行安全性的分析中，主要是蒸汽入口接管切向斜接结构的应力集中问题，在GB150.3-2011上尚无此类接管开孔补强的计算方法，为此采用Ansys软件对其进行应力分析。汽水分离器从264℃升温至345℃，按照1.57℃/min的温升速率计算，可知，启动升温时间为51.5min，即3090s。
由于本文主要研究汽水分离器蒸汽入口接管切向斜接结构的安全问题，筒身模型选取长度为2000mm，该长度已经超过JB/T4732-1995（2005年确认）所规定的局部应力区，其他部位的结构对此区域影响可忽略不计。在此基础上，建立模型，进行分析。
2 应力分析过程
2.1 结构分析
机械载荷是分析内压及蒸汽入口处的推力和力矩对切向斜接结构的作用，考察其一次局部薄膜应力是否满足要求。计算时用186号单元（此单元的特点是六面体模型，20个节点，每个节点有3个自由度，可以有效的分析塑性应变和蠕变），此单元结构在某些特殊位置会退化成四面体单元，非常适合切向斜接管根部区域几何结构不规则性的分析。
建立有限元模型，如图2所示。单元数量为284808，节点数量为359600。
图2 有限元模型
对有限元模型加载设计压力、接管推力及力矩等机械载荷，并计算。得到汽水分离器应力分布和应力分析路径，如图3所示（由于蒸汽入口切向斜接结构存在应力集中现象，因此最大应力点出现在切向斜接结构内壁处）：
图3 汽水分离器应力分布和应力分析路径
2.2 温度场分析
在加载温度场时，选用90号单元，该单元有六面体20个结点单元，此单元亦可退化成四面体单元，适用于温度场。热应力是当温度发生变化，结构的自由热变形被外部约束限制时所引起的应力，属于二次应力，在加载时要选用工作温度。因此，设置蒸汽接管及筒体的外壁参考温度为264℃，蒸汽入口及筒身内壁温度为345℃。蒸汽和接管内壁发生强制对流换热。对流换热系数的确定可以根据：
λ—水蒸汽的导热系数，W/（m·℃）；
x—接管直径，m；
Rex—以x为特征长度的雷诺数，Rex=x·u/v；
u—流体流速，m/s；
v—流体动力粘度，m2/s；
pγ—普朗特系数。
根据该公式，计算出对流换热系数的平均值约为：
对流换热的热量由内壁向外壁传导，由于设备外壁设置有保温层，因此，在加载温度场时，认为外壁是绝热的。在整个换热及导热的过程中，内外壁以不同的速率升温，通过选取设备在启动阶段中各时刻的内、外壁温度，可以绘制该工程中内外壁的温度变化曲线，以此作为汽水分离器蒸汽入口接管切向斜接结构的最大值应力出现时刻的判断依据。图4为汽水分离器启动阶段每隔30s取样一次，所获的设备内外壁温度变化曲线。
图4 汽水分离器内外壁温度
由图4可以看出内壁在开始阶段升温迅速，然后趋于平缓；外壁升温连续增加，最后不断接近于内壁温度，在第3090s时温差仅为0.218℃。而在150s时汽水分离器内、外壁温差最大，此时的温差约为48.881℃，即设备应力最大值出现在该时刻。
2.3 热固耦合分析
热固载荷主要分析机械载荷和温度载荷对设备切向斜接结构的作用，考察其二次应力是否满足要求。分析中，选用热固耦合98号单元，并采用工作温度和压力进行计算，计算中加热蒸汽及切向斜接管内壁、筒体内壁之间施加对流换热系数1000W/（m2·K）。
在分离器的启动阶段，虽然内压不变，但是在升温过程中，由于不同时刻的切向斜接结构所受热应力是变化的，因此，在整个升温阶段需要保证每一时刻该结构的强度均能满足要求。为此，在计算过程中，每隔30s对瞬态热固耦合结果进行一次取样。整理得到的所有取样结果，归纳出以下几个重要的分界点。升温30s时，汽水分离器在机械载荷和热载荷共同作用，应力的最大点出现在切向斜接管外壁根部，如图5所示。
图5 设备在30s时应力分布云图
从30s到1200s之间，应力最大点位置未发生变化，应力最大点数值变化趋势是先增大后减小，在150s时应力出现了最大值168MPa。校核启动工况下的应力强度是否通过，仅需校核该时刻的应力值即可。
图6 设备在150s时应力分布云图
从1200s到3090s之间，应力最大点从在接管区域的外壁转移到内壁，且最大应力点数值不断增大。在3090s时刻时，设备内、外壁温差约0.218℃，热应力几乎为零。
图7 设备在1200s时应力分布云图
图8 设备在3090s时应力分布云图
3 结果评定
设备在设计工况下，最大应力点出现在接管区域的内壁，通过最大应力点绘制A路径（如图3），得出接管根部的局部薄膜应力值为62.33MPa；设备在启动的整个阶段，应力最大点出现在150s时刻，通过最大点绘制B路径（如图6），得出接管根部的二次应力的应力值为152.9MPa。两个危险路径的应力评定见表3。
表3 应力评定
所以设备在启动的整个过程中切向斜接管根部区域是安全的。
4 分析结果
对以上过程分析可知得到如下结论：
1、对汽水分离器每隔30s进行瞬态热固耦合结果取样分析可知：设备在整个启动阶段，由于汽水分离器蒸汽入口切向斜接结构存在严重的应力集中，因此，应力最大点必出现在该结构的外壁或内壁；
2、从设备启动开始至设备运行大约1200s过程内，由于温度载荷产生的二次应力比机械载荷产生的一次应力大，且二者方向不一致，出现一次应力被二次应力抵消的现象。因此，这段时间内，汽水分离器蒸汽入口部分的应力最大点始终出现在切向斜接结构的外壁，但由于汽水分离器内、外壁温差的变化趋势为现增大后减小，所以，应力最大点数值变化趋势亦为先增大后减小，且约在150s时应力出现了最大值。
3、从设备启动1200s至该阶段结束过程中，由于汽水分离器内、外壁温差接近，导致温度载荷产生的二次应力比机械载荷产生的一次应力小，且二者方向仍然不同，二次应力仅对一次应力部分抵消。因此，汽水分离器蒸汽入口部分的应力最大点转移到切向斜接结构的内壁，且应力最大点数值变化趋势为先减小后增大（即二次应力越来越小，与一次应力相抵消的能力越来越小)。
5 结束语
通过上文的分析，可以得出汽水分离器蒸汽入口接管切向斜接结构在启动过程中，最大应力点出现时刻及所在位置，这不仅对今后的设计提供相应的依据，而且对工程实践亦有一定的参考价值。
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