（国核电力规划设计研究院1 北京 100095；华北电力大学2 北京 102206）
摘要：测量探头被广泛应用于工程实际中以探测各类工质的状态参数，本文针对某工程凝汽器测压探头的所受应力情况进行有限元建模分析。经计算显示，应力集中区域位于探头保护壳与探头主体间的焊接部位，且该部位的宽度应始终保持在3mm以上，否则如果宽度一旦过小将使得该部位产生失效并影响探头的使用。
关键词：有限元；探头应力；凝汽器
一、前言
在实际工程中，为能够实时监控各个系统中的流动工质的压力温度等状态参数[1,2]，通常需要在系统的侧壁上安装不同类型的传感器。这些传感器的安装方式为将传感器的探测部分置入系统中与工质接触，而其尾部位置则被焊接在系统外壁上。由于工质流经探头时会产生绕流而使得探头受到力的作用，因此在高密度、高密度的工质中工作的探头的强度问题将会是一个十分重要的问题，本文将针对凝汽器中测压探头在工作时的应力状况进行有限元分析[3,4]并进而提出该探头在设计制造及安装过程中应注意的问题和进一步优化。
二、工程实例
本工程为某核电机组汽轮机高压通流改造后性能验收试验要求增加部分测点，尤其是在凝汽器排汽侧安装网笼取压装置，这些装置的工作环境如表1所示。
安装后，其安装情况如图1所示。其中探头方向为斜向下45°方向，凝汽器中排汽方向为竖直向下，探头的尾部位置被焊接在凝汽器外壁上，以此将探头固定住。该探头能否正常使用还需进行有限元计算的应力分析结果加以验证。
三、应力计算建模
本次应力计算在有限元软件ANSYS中进行。通过应力计算需要实现3个目的：1.核算网笼探头安装后探头的受力情况；2.探头是否需要增设支撑结构或进行改造；3探头各部位中何处需要加固。其中，第一个目的可通过建模计算后直接得到，第二个目的可在计算后获取，第三个目的也需获得计算结果后进行评价。因此，对探头进行建模是计算的重中之重。
图1 安装图及建立模型坐标系的示意图
根据网笼探头的基本形态，建立如图1所示的坐标系。该图将图1顺时针旋转45°并以探头的尾部为坐标原点建立坐标系，竖直向上为X轴正方向，水平向左为Y轴正方向，由于整个探头的形状接近一个旋转体，因此建模时可将模型简化为一个位于第一象限的平面图形，同时选择以Y轴为中心轴的旋转坐标系。
模型的基本形状建立完毕后，需要对模型进行加载。根据模型所处的工况，模型共有3个加载条件：
1.探头本体所受的重力作用，由于模型经过旋转因此加载的重力方向为第二象限的平分线。
2.上文中所建的矩形的外表面由于与凝汽器焊死，因此其位移可视为0。
3.探头在凝汽器中受到气体流动和气体压力的作用。
四、应力集中部位应力变化分析和优化意见
图2为模型的von Mises应力的分布图，其中（a）图为整体应力图，而（b）图为集中应力区域图。从图中可以得出规律：应力在探头头部的应力不大，一般不大于4kPa的应力，但是会将该应力进行传导至尾部；在凝汽器外侧，保护壳和探头芯杆的焊接部位出现一定的应力集中，最大应力在0.6MPa左右，这一情况十分值得注意。另外在与凝汽器接触部位未出现明显的大应力，这部分结果将在下节中给出详细数据。
图2 von Mises应力分布图
虽然整体上探头受到外力后产生的应力很小，但依然有一个问题需要注意，即尾部探头保护层和探头芯杆之间的焊接必须充分牢固。
图2的应力是假定该焊接连接件宽度为5mm获得的，而如果将该宽度变为1mm，则最大应力会显著增加，因此在探头制造和安装过程中这一位置的安全应受到关注。
在研究焊接部位厚度与整个探头部件最大应力之间的变化关系后，将曲线经拟合得到结果为Eq.1，其中x为焊接部位厚度，单位是mm，P为应力单位是MPa。当焊接部位厚度在3-5mm区间内时，最大应力的变化较小，而一旦由于制造及使用过程中的不当，使得焊接宽度过小，则很容易使得该部位应力过大而失效，进而影响整个探头的使用。
结论
本文针对某工程凝汽器测压探头的所受应力情况进行有限元建模分析。经计算显示：1.探头整体所受应力不大，这是由于所测工质的本身温度流速较低，如果流速提升将使得探头所受应力有所上升；2.探头中应力最为集中的部分位于探头保护壳与探头主体间的焊接部位，且该部位的宽度应始终保持在3mm以上，否则如果宽度一旦过小将使得该部位产生失效并影响探头的使用，因此为保证探头的正常运行需严格保证该部位的可靠性。
参考文献
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作者介绍
孙天鸣，（1987.7-），男，辽宁锦州人，设计人，单位：国核电力规划设计研究院。专业方向：热机
张丹，（1987.8-），女，北京人，助理工程师，单位：华北电力大学。专业：水利水电工程
论文作者:孙天鸣,张丹
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/10
标签：应力论文; 凝汽器论文; 部位论文; 工质论文; 建模论文; 有限元论文; 宽度论文; 《电力设备》2016年第14期论文;