引進型300MW機組冷鍛壁厚加強三通有限元分析

      三通是火力發(fā)電廠機組管道系統(tǒng)的重要組成部分，通常為冷鍛加工，工作在高溫高壓條件下，整體受力和變形較為復(fù)雜。在內(nèi)壓力、自重和持續(xù)外載荷作用下產(chǎn)生一次應(yīng)力，在熱漲冷縮及其他約束的作用下形成二次應(yīng)力。設(shè)計時，對三通各部分的受力和強度作了嚴格要求。但傳統(tǒng)的分析方法只是通過經(jīng)驗公式或折算公式粗略地計算各部分的平均應(yīng)力，而無法得到母管與支管相交過渡處的精確應(yīng)力分布和變形情況。國內(nèi)曾經(jīng)出現(xiàn)過因三通失效而導(dǎo)致發(fā)電機組損壞的重大事故。因此，為了弄清目前所用三通在工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀況是否滿足強度要求，本文對300MW機組冷鍛壁厚加強三通，在工作壓力場(4.53MPa)、工作溫度(346℃)條件下進行了有限元分析，分析結(jié)論為進一步改進三通的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1　有限元分析前處理

　　該三通的有限元分析采用“SAP5靜動力結(jié)構(gòu)分析程序”進行計算并繪圖。
　　三通結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了節(jié)省計算量，在計算中運用結(jié)構(gòu)力學中的對稱和反對稱原理取結(jié)構(gòu)的四分之一進行計算。計算中的邊界條件按結(jié)構(gòu)力學中的對稱邊界條件和反對稱邊界條件確定。
　　計算中采用x、y、z作為總體坐標。為了較為精確地計算三通各部分的應(yīng)力分布情況，將母管和支管沿壁厚方向分為兩層，將母管沿周向的180°等分為12份，并將支管沿環(huán)向的90°等分為六份。為了減小端部效應(yīng)，在母管和支管的端口處適當增加了單元的數(shù)目。另外，為了提高計算精度，在網(wǎng)格劃分過程中，盡量減少退化單元的個數(shù)。結(jié)構(gòu)被離散成為1019個節(jié)點，501個8～21節(jié)點三維實體單元。離散結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1

圖2

2　有限元件計算結(jié)果分析

　　SAP5計算的輸出報告有五大類，本問題只關(guān)心三通在相貫線附近和母管、支管端口處可能發(fā)生應(yīng)力集中的部位應(yīng)力分布情況，所以只給出了三通縱剖面內(nèi)外壁和內(nèi)壁相貫線的應(yīng)力分布曲線(圖見3)和母管、支管端口處的應(yīng)力分布曲線(見圖4、圖5)。

圖3　三通縱剖面內(nèi)外壁與內(nèi)壁相貫線的應(yīng)力曲線(σ1-σ3)應(yīng)力單位(MPa)

圖4　三通母管端口應(yīng)力曲線(σ1-σ3)應(yīng)力單位(MPa)

圖5　三通支管端口應(yīng)力曲線(σ1-σ3)應(yīng)力單位(MPa)

　　(1) 強度分析
　　在應(yīng)力輸出報告中，輸出的x、y、z軸三個方向的六個應(yīng)力分量，不是主應(yīng)力。為了對三通進行強度分析和校核，必須求出主應(yīng)力。根據(jù)彈性力學的基本關(guān)系有：

(1)

又知：

(2)

式中：σ₁、σ₂、σ₃——三個主應(yīng)力；
　　σx、σy、σz——三個坐標方向的正應(yīng)力分量；
　　τxy、τyz、τzx——三個坐標方向的剪應(yīng)力分量；
　　I₁、I₂、I₃——應(yīng)力狀態(tài)的不變量。
　　將式(1)和式(2)聯(lián)立求解，即可求得各單元的主應(yīng)力。
　　三通母管材料為20G，支管材料為A106B。工作條件為高溫，為防止塑性變性，按第三強度理
論進行校核。由第三強度理論有：

σ^*₃=σ₁-σ₃≤〔σ〕（3）

式中：σ^*₃—第三強度理論相當應(yīng)力；
　　〔σ〕—許用應(yīng)力。
　　母管的許用應(yīng)力為101.1MPa，支管的許用力為103.3MPa。由圖4、圖5可知，母管端口處和支管端口處的最大應(yīng)力值、平均應(yīng)力值分別為96.2MPa、90.1MPa和100.2MPa、91.9MPa，均小于各自的許用應(yīng)力。所以在母管、支管端口處，處于安全狀態(tài)。
　　由圖3可知在母管與支管相貫處發(fā)生應(yīng)力集中。應(yīng)力最大值發(fā)生在母管與支管內(nèi)壁相貫線的肩部，應(yīng)力最大值為243.5MPa。高峰應(yīng)力沿縱橫兩個方向很快衰減到許用應(yīng)力范圍內(nèi)。在肩部的應(yīng)力集中系數(shù)為2.41，滿足ASME規(guī)范和《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)定》SDGJ6-90中所規(guī)定的應(yīng)力集中系數(shù)不大于3的要求。滿足安全分析的規(guī)定。
　　所以，該三通滿足強度設(shè)計要求?！　?2) 三通應(yīng)力情況的進一步討論
　　如前所述，三通基本滿足強度要求。但是，在實際工作中存在以下幾個方面的問題，值得考慮：
　?、僭趹?yīng)力分析中，沒有考慮三通在偶然載荷發(fā)生時的應(yīng)力改變情況。偶然載荷包括：安全閥和釋放閥排氣管的反作用力、管道內(nèi)流體壓力的瞬時變化所產(chǎn)生的瞬態(tài)力以及地震載荷。對大容量機組來說，這些偶然載荷會對機組管系產(chǎn)生影響，進而對三通應(yīng)力的分布帶來影響。
　　②在有限元分析中，由于采用結(jié)構(gòu)對稱分析方法，只取其四分之一進行分析，簡化了計算。而在實際工況條件下，三通內(nèi)的汽(液)流是有方向的。三通迎向汽(液)流的壁面與背向汽(液)流的壁面所受的動壓力是不同的，對其應(yīng)力分布也會有所影響。
　　考慮上述因素，實際工況下三通母管與支管相貫的肩部應(yīng)力值有可能超過安全規(guī)定允許值。另外在較大的應(yīng)力作用下，三通將產(chǎn)生較大的變形和位移，會對設(shè)備和管系帶來不良影響。

3　建議

　　考慮到上面的因素，對三通的設(shè)計、加工和安裝提出兩點建議：
　　(1) 在設(shè)計、加工過程中，應(yīng)考慮對三通的薄弱環(huán)節(jié)(應(yīng)力集中部位)采取加強措施。一方面，適當增加母管與支管相貫處的壁厚；同時，適當加大母管與支管相貫線肩部的過渡圓角半徑。這樣，有利于減小應(yīng)力集中，降低應(yīng)力峰值。
　　(2) 在安裝時，為三通加固定支撐。一方面，可以消除由于自重產(chǎn)生的附加力和力矩；同時，能減輕三通發(fā)生變形時對管系和設(shè)備帶來的不良影響。