某电厂660 MW超临界汽轮机高中压内缸中分面紧固螺柱发生早期断裂事故,本文针对事故螺柱替换为其它材料螺柱后的服役安全性评估需求,结合瞬态传热和多物理场耦合理论开展有限元分析工作。通过高中压内缸–紧固螺柱整体建模与紧固螺柱局部建模相联合,本文系统研究了该汽轮机高中压内缸及其中分面关键紧固螺柱在电厂典型服役条件(启动、额定与变负荷等)下的瞬态温度场、耦合应力场等问题,并从应力角度对汽轮机高中压内缸紧固螺柱的替换方案安全性进行了初步评价。针对高中压内缸–紧固螺柱系统的复杂性以及螺纹牙局部应力分析精确性的需求,本文通过引入“子模型法”,采用汽缸–螺柱整体建模与螺柱局部建模相联合的方法构建了上述复杂系统的三维有限元模型。整体模型中所有螺柱采用光杆模型和绑定接触模拟螺纹联接,而在子模型中四颗关键螺柱采用三维对称螺纹模型,并充分考虑各接触对(包括螺纹牙接触、螺母与汽缸法兰面接触、上下缸体结合面接触等)之间的非线性摩擦接触。上述有限元建模方法不仅为准确获得汽轮机高中压内缸紧固螺柱的应力分布提供了基础,也为复杂结构有限元分析的优化建模提供了新思路。根据汽缸中分面紧固螺柱的冷紧扭矩和热紧伸长量,本文首先开展了预紧状态下汽缸–螺柱系统的整体和螺柱局部应力分析。结果表明:在预紧状态下,螺柱承受轴向拉应力,法兰承受压应力。整体模型中螺柱的最大应力发生在螺杆的变截面处,远低于材料的屈服强度;而子模型中螺柱的最大应力发生在其与螺母或法兰螺纹啮合的第一颗螺纹牙根部,但最大等效应力仍略小于材料的屈服强度。结合汽轮机的设计参数及典型工况下蒸汽参数的时间历程曲线,采用第三类热边界条件,开展了典型工况下汽缸–螺柱系统的瞬态温度场分析,并获得了汽缸轴向和径向瞬态温度场分布规律。结果表明:在启动工况下汽缸–螺柱系统温度分布极为不均匀;在660 MW和330 MW负荷下,汽缸轴向和径向温差缓和,高中压内缸进气口附近法兰承受最大温差和热变形。法兰内外壁温差以及螺柱与法兰径向温差瞬态变化曲线表明,汽缸最危险时刻为转子转速升至满速时刻前后。开展了典型服役工况(启动、660 MW额定、330 MW低负荷等)下汽缸–螺柱系统的耦合应力场分析,获得了各种特征时刻汽缸–螺柱系统的整体应力场分布规律。结果表明:在启动过程中,由于缸体温度分布不均、法兰和螺柱温度变化差异,导致热载荷引起的热应力占主导,从而缸体耦合应力分布极为不均匀;缸体最大应力发生在法兰与螺母贴合处,而汽缸壁面最大应力始终低于材料屈服强度。在660 MW和330 MW负荷下,缸体整体应力下降,绝大部分应力低于200 MPa,局部应力达到400 MPa。在以上的特征工况下,光杆螺柱最大应力始终发生在与螺母贴合的初始位置,最大等效应力远低于材料屈服强度。采用子模型法对紧固螺柱在启动工况、660MW稳态工况以及330 MW低负荷工况下的局部耦合应力场进行分析。结果表明,在各种工况下,螺柱与法兰咬合的第一扣螺纹牙应力最大,螺纹中应力分布沿轴向满足衰减规律。在子模型中螺纹牙根部最大应力仍略低于材料在对应服役温度下的屈服强度,满足国内外预紧设计相关标准。本文综合考察汽缸体等效应力和中分面接触应力的瞬态变化过程,并比较4颗关键螺柱在典型工况下螺纹根部最大等效应力与屈服强度关系,开展螺柱替换后汽缸强度、中分面密封性和螺柱服役情况的分析。结果表明:汽缸–螺柱整体和局部应力情况符合安全服役要求,但中分面存在漏汽风险,需采取进一步的密封措施。