汽包是增壓鍋爐重要的厚壁承壓部件，除了外壁局部受熱外，還開(kāi)有脹接的密排管孔，因此一旦損壞，很難進(jìn)行修復。而且，汽包在承受內壓的同時(shí)還承受機組頻繁啟停及變工況運行而產(chǎn)生的交變熱應力，頻繁的應力變化將引起汽包疲勞壽命損耗。
      溫度場(chǎng)是應力分析的基礎。有學(xué)者在溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化的基礎上采用ASME標準或有限元分析方法進(jìn)行應力分析，但溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化造成計算應力與實(shí)際應力之間存在誤差。直接采用三維有限元方法或商業(yè)軟件雖然能夠保持較高的計算精度，但因工作量大不能實(shí)現在線(xiàn)監測。因此如何在提高精度的同時(shí)又能保證較快的計算效率，是本文研究的關(guān)鍵。
      傳統求解汽包溫度場(chǎng)的方法為導熱問(wèn)題的直接解法（又稱(chēng)正問(wèn)題解法）。該解法雖能求解復雜邊界條件下的溫度場(chǎng)，但由于條件限制，邊界條件及初始條件系數多采用經(jīng)驗數據或假定，這將影響溫度場(chǎng)的計算精度。為提高溫度場(chǎng)的計算精度，Taler等人提出了導熱反問(wèn)題解法，在汽包外壁布置熱電偶測量外壁溫度并將其作為已知條件，建立控制容積的能量平衡方程，逐步反推求得整個(gè)汽包瞬態(tài)溫度場(chǎng)，該方法已被用于電站鍋爐溫度場(chǎng)在線(xiàn)監測系統。Weglowski等人在該方法的基礎上分析了鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中壓力容器的熱應力。
      相對于電站鍋爐而言，增壓鍋爐汽包結構與傳熱條件比較復雜，這使得導熱反問(wèn)題解法的應用受到了限制。對此，本文提出了求解外壁局部受熱的增壓鍋爐汽包截面瞬態(tài)溫度場(chǎng)的導熱正反問(wèn)題耦合解，充分應用導熱正、反問(wèn)題解法各自的優(yōu)點(diǎn)，求得整個(gè)汽包的瞬態(tài)溫度分布。在得到較高精度溫度場(chǎng)的基礎上，采用二維有限元方法對汽包應力進(jìn)行分析，并通過(guò) ANSYS軟件對該方法的計算結果進(jìn)行驗證。然后采用三維有限元分析方法計算應力集中系數，并修正應力計算結果。該方法不僅具有較快的計算速度，而且擁有較高的精度，可以實(shí)現應力在線(xiàn)監測。
      增壓鍋爐汽包為長(cháng)圓筒形壓力容器，汽包軸線(xiàn)方向上內部工質(zhì)溫度及換熱條件變化不大，因此編寫(xiě)溫度場(chǎng)與應力場(chǎng)的計算程序時(shí)將其簡(jiǎn)化為二維模型。增壓鍋爐汽包結構示意如圖所示。
      圖為增壓鍋爐汽包簡(jiǎn)化模型及導熱正反問(wèn)題耦合解法網(wǎng)格劃分示意。增壓鍋爐汽包內壁換熱條件與常規電站鍋爐汽包相同，分別為水蒸氣和水與汽包內上下壁的對流換熱。然而汽包底部區域外壁所處環(huán)境相對復雜，其中底部CD、EF 段外壁直接接觸爐膛內的高溫煙氣，兩側夾層區域AB、GH 段外壁與熱空氣進(jìn)行對流換熱，其余部分外壁敷設保溫材料，可近似按絕熱處理。
      根據汽包外壁受熱與否，將汽包劃分為受熱和不受熱兩個(gè)區域，網(wǎng)格較密集的為外壁受熱區域，較稀疏的為外壁不受熱區域。對于外壁不受熱區域，根據沿周向布置的熱電偶實(shí)際測量的外壁溫度，采用導熱反問(wèn)題解法求解該區域溫度分布。對于受熱區域，加載內外壁邊界條件，采用導熱正問(wèn)題解法，通過(guò)求解導熱微分方程得到該區域溫度分布。兩區域耦合邊界S1，S2處，將利用反問(wèn)題解法求解的交接區域溫度作為第一類(lèi)邊界條件并通過(guò)插值的方式傳遞給正問(wèn)題解法，由此實(shí)現導熱問(wèn)題正反耦合求解，得到汽包橫截面的瞬態(tài)溫度分布。導熱正反問(wèn)題耦合解法的相關(guān)公式與具體實(shí)現辦法參見(jiàn)文獻。
 

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