引进型300MW机组冷锻壁厚加强三通有限元分析

      三通是火力发电厂机组管道系统的重要组成部分，通常为冷锻加工，工作在高温高压条件下，整体受力和变形较为复杂。在内压力、自重和持续外载荷作用下产生一次应力，在热涨冷缩及其他约束的作用下形成二次应力。设计时，对三通各部分的受力和强度作了严格要求。但传统的分析方法只是通过经验公式或折算公式粗略地计算各部分的平均应力，而无法得到母管与支管相交过渡处的精确应力分布和变形情况。国内曾经出现过因三通失效而导致发电机组损坏的重大事故。因此，为了弄清目前所用三通在工作状态下的应力状况是否满足强度要求，本文对300MW机组冷锻壁厚加强三通，在工作压力场(4.53MPa)、工作温度(346℃)条件下进行了有限元分析，分析结论为进一步改进三通的设计提供了理论依据。

1　有限元分析前处理

　　该三通的有限元分析采用“SAP5静动力结构分析程序”进行计算并绘图。
　　三通结构如图1所示。为了节省计算量，在计算中运用结构力学中的对称和反对称原理取结构的四分之一进行计算。计算中的边界条件按结构力学中的对称边界条件和反对称边界条件确定。
　　计算中采用x、y、z作为总体坐标。为了较为精确地计算三通各部分的应力分布情况，将母管和支管沿壁厚方向分为两层，将母管沿周向的180°等分为12份，并将支管沿环向的90°等分为六份。为了减小端部效应，在母管和支管的端口处适当增加了单元的数目。另外，为了提高计算精度，在网格划分过程中，尽量减少退化单元的个数。结构被离散成为1019个节点，501个8～21节点三维实体单元。离散结构见图2。

图1

图2

2　有限元件计算结果分析

　　SAP5计算的输出报告有五大类，本问题只关心三通在相贯线附近和母管、支管端口处可能发生应力集中的部位应力分布情况，所以只给出了三通纵剖面内外壁和内壁相贯线的应力分布曲线(图见3)和母管、支管端口处的应力分布曲线(见图4、图5)。

图3　三通纵剖面内外壁与内壁相贯线的应力曲线(σ1-σ3)应力单位(MPa)

图4　三通母管端口应力曲线(σ1-σ3)应力单位(MPa)

图5　三通支管端口应力曲线(σ1-σ3)应力单位(MPa)

　　(1) 强度分析
　　在应力输出报告中，输出的x、y、z轴三个方向的六个应力分量，不是主应力。为了对三通进行强度分析和校核，必须求出主应力。根据弹性力学的基本关系有：

(1)

又知：

(2)

式中：σ₁、σ₂、σ₃——三个主应力；
　　σx、σy、σz——三个坐标方向的正应力分量；
　　τxy、τyz、τzx——三个坐标方向的剪应力分量；
　　I₁、I₂、I₃——应力状态的不变量。
　　将式(1)和式(2)联立求解，即可求得各单元的主应力。
　　三通母管材料为20G，支管材料为A106B。工作条件为高温，为防止塑性变性，按第三强度理
论进行校核。由第三强度理论有：

σ^*₃=σ₁-σ₃≤〔σ〕（3）

式中：σ^*₃—第三强度理论相当应力；
　　〔σ〕—许用应力。
　　母管的许用应力为101.1MPa，支管的许用力为103.3MPa。由图4、图5可知，母管端口处和支管端口处的最大应力值、平均应力值分别为96.2MPa、90.1MPa和100.2MPa、91.9MPa，均小于各自的许用应力。所以在母管、支管端口处，处于安全状态。
　　由图3可知在母管与支管相贯处发生应力集中。应力最大值发生在母管与支管内壁相贯线的肩部，应力最大值为243.5MPa。高峰应力沿纵横两个方向很快衰减到许用应力范围内。在肩部的应力集中系数为2.41，满足ASME规范和《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》SDGJ6-90中所规定的应力集中系数不大于3的要求。满足安全分析的规定。
　　所以，该三通满足强度设计要求。　　(2) 三通应力情况的进一步讨论
　　如前所述，三通基本满足强度要求。但是，在实际工作中存在以下几个方面的问题，值得考虑：
　　①在应力分析中，没有考虑三通在偶然载荷发生时的应力改变情况。偶然载荷包括：安全阀和释放阀排气管的反作用力、管道内流体压力的瞬时变化所产生的瞬态力以及地震载荷。对大容量机组来说，这些偶然载荷会对机组管系产生影响，进而对三通应力的分布带来影响。
　　②在有限元分析中，由于采用结构对称分析方法，只取其四分之一进行分析，简化了计算。而在实际工况条件下，三通内的汽(液)流是有方向的。三通迎向汽(液)流的壁面与背向汽(液)流的壁面所受的动压力是不同的，对其应力分布也会有所影响。
　　考虑上述因素，实际工况下三通母管与支管相贯的肩部应力值有可能超过安全规定允许值。另外在较大的应力作用下，三通将产生较大的变形和位移，会对设备和管系带来不良影响。

3　建议

　　考虑到上面的因素，对三通的设计、加工和安装提出两点建议：
　　(1) 在设计、加工过程中，应考虑对三通的薄弱环节(应力集中部位)采取加强措施。一方面，适当增加母管与支管相贯处的壁厚；同时，适当加大母管与支管相贯线肩部的过渡圆角半径。这样，有利于减小应力集中，降低应力峰值。
　　(2) 在安装时，为三通加固定支撑。一方面，可以消除由于自重产生的附加力和力矩；同时，能减轻三通发生变形时对管系和设备带来的不良影响。