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蒸汽管道热推弯头强度有限元分析

发布于:2021-06-01 21:25
有限元分析

       再热蒸汽热段管道是超超临界发电机组的4大管道之一,在热力系统中起至关重要的作用,弯头是4大管道中常用构件之一,是管系中的薄弱部位,电厂常因弯头的裂纹和爆管而造成损失,甚至导致重大事故。目前,火力发电机组运行参数在逐渐提高,再热热段管道必须具有良好的高温机械性能,其承受高温、高压、交变荷载,易产生疲劳、蠕变损伤,弯头的运行寿命往往比直管道短,其可靠与否直接影响整个机组的正常运行。为了确保弯头的设计安全和结构强度可靠,本文对某660MW超超临界机组再热热段弯头在内压作用下的应力分布进行了有限元分析,并对现有结构下的强度进行校核,所得结果可供火电厂、核电厂及化工厂等重要管道系统的弯头设计时参考,也可作为理论计算的校核数据。
       本文分析的弯头为660MW超超临界机组的再热蒸汽系统上的构件,弯头是通过锻制钢管热推成型工艺制造的,弯头的材料为ASTM A335P92,材料的弹性模量为98GPa,泊松比为0.28,计算压力为5.61MPa,计算温度为608℃ ,许用应力取值为[σ]t=68.4MPa,连接管道规格为ID850.9mm×38mm。详细的结构尺寸如图1所示。
       在弯头的有限元分析过程中,为了节省计算量,在计算中运用对称原理取结构的1/4进行计算,热推弯头在推制过程中内外壁壁厚不均匀,弯头内弧侧结构比较厚,外弧侧结构比较薄;同时,弯头与管道连接处的壁厚比较薄,存在一个壁厚的过渡区。为了减小结构边界的影响,建模时对弯头端面的直管段作了延长。
       为了提高计算精度和更清楚地了解其应力分布规律,在计算过程中选用8节点的实体单元进行计算。由于弯头结构比较规范,因此,采用结构化网格划分。根据经验可知,弯头结构的高应力区在弯头的内壁处,弯头结构内、外壁厚及尺寸相差较大,故而在这个区域进行进一步的网格细化剖分,在延长的接管处采用较稀疏的结构化的六面体网格。由于采用比较密集的网格,也可以弥补计算精度上的损失。为此,将弯头模型分为2个部分:在45°弯头部位使用比较密集结构化六面体的网格,在其余部分使用映射方法生成结构化的网格,整个模型共有45 720个单元,模型的网格划分如图所示。
       由于只考虑内压载荷的作用,根据几何结构和载荷的对称性,在2个对称面上施加对称载荷,即在弯头的45°横截面和弯头纵剖面内施加法向位移为零的对称约束,弯头的载荷为施加在内壁的计算压力,直管段端面施加了与管内流体总压力相平衡的轴向面力。
       根据ASME规范要求,对于锅炉和压力容器的受力状态应采用当量应力强度来评价。弯头在内压载荷作用下,主要在外弧侧产生局部小区域内的变形,其变形量较小;应力计算结果表明,弯头在受内压作用时,最大应力部位发生在弯头的内壁处附近。弯头内壁存在有较高的应力幅值,其余部分应力幅值都比较低。因为弯头与接管之间存在壁厚的差异,弯头两端的接管处内壁的应力也比较高。


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