基于ansys的空冷排汽管道強(qiáng)度計算及優(yōu)化

黃文佳 李會利 楊召 北京首航艾啟威節(jié)能技術(shù)股份有限公司

表1 計算中采用的單元

直接空冷早于1939年應(yīng)用于歐洲，是指火電廠直接采用環(huán)境空氣來冷凝汽輪機(jī)排汽的冷卻系統(tǒng)，采用直接空冷的機(jī)組稱為直接空冷機(jī)組。直接空冷系統(tǒng)因其無需依賴水源的特點(diǎn)，在干旱缺水地區(qū)新建火電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。排汽管道作為直接空冷系統(tǒng)的重要組成部分，具有薄壁大口徑的特點(diǎn)，管道的最大直徑可達(dá)DN8000，管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜。除管道外，還有膨脹節(jié)、導(dǎo)流片、支吊架等局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其承受的載荷也很復(fù)雜，受自重、負(fù)壓、沉降差、溫度、地震和風(fēng)載等多種載荷共同作用。這些載荷復(fù)雜并且交互耦合作用，傳統(tǒng)的根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的計算方法也有其局限性。隨著計算機(jī)技術(shù)、計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和計算工程科學(xué)的發(fā)展，有限元分析方法已經(jīng)越來越完善，并已廣泛的應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計中。本文應(yīng)用大型通用有限元分析軟件ansys對某600MW空冷機(jī)組排汽管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并基于分析結(jié)果對排汽管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化減重。在保證管道系統(tǒng)安全的前提下使設(shè)計更加的經(jīng)濟(jì)合理。

1 排汽管道模型

直冷排汽管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含管道、膨脹節(jié)、導(dǎo)流片、拉桿、支吊架等局部結(jié)構(gòu)，如圖1圖、2所示。本分析采用solidworks和hypermesh共同建立排汽管道的有限元模型然后導(dǎo)入ansys當(dāng)中添加邊界條件并求解計算，在建立有限元模型時，排汽管道和支座均采用殼單元來建立；膨脹節(jié)采用彈簧單元模擬，其中膨脹節(jié)質(zhì)量通過建立質(zhì)量單元添加。另外，由于壓力平衡肘拉桿主要承受拉壓，同時在有些位置要受到彎曲的作用，所以采用梁單元建立。考慮到腐蝕裕度和鋼板厚度負(fù)偏差，管子和零件的殼體厚度在進(jìn)行強(qiáng)度校核計算時要相應(yīng)的減小；同時考慮到管子自身的實際重量，減小厚度的殼體的密度要相應(yīng)增加，所以在計算時材料的密度采用折算后的密度。采用的單元類型如表1所示，有限元模型如圖2、圖3所示。

圖1 排汽管道正視圖

圖2 局部有限元模型

圖3 局部有限元模型

由圖1、圖3可見，在排汽管道和汽輪機(jī)排汽裝置接口位置添加了一個密封圓板，此板為剛性體，但可以在溫度載荷的作用下發(fā)生變形，故不會限制排汽管道熱變形，從而避免此處在計算中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。排汽管道和空冷島接口位置同樣如此處理。這樣整個排汽管道成為一個密閉容器，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，一個封閉容器在內(nèi)壓作用下應(yīng)該是自平衡的。因此，對其進(jìn)行壓力平衡測試，求解后它的約束端的各反力分量和為零，表明該有限元分析模型是壓力自平衡的，以此來證明管道模型的正確性。

2 邊界條件

2.1 約束

排汽管道受到排汽裝置和蒸汽分配管對其平移和旋轉(zhuǎn)方向的約束，安裝工況下相當(dāng)于固定，在有溫度載荷工況下會對排汽管道產(chǎn)生一個熱位移。壓力平衡肘各安裝位置施加各對應(yīng)的約束。為方便提取約束位置支反力，約束施加均為在約束面中心建立主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)與約束面上節(jié)點(diǎn)通過剛性桿連接，然后在主節(jié)點(diǎn)上施加對應(yīng)的約束。彈簧支撐和吊架處施加對應(yīng)的支吊架載荷。詳細(xì)約束位置及約束方式如圖4及表2所示。

施加約束采用的坐標(biāo)系：

x-軸：與蒸汽流動方向相反；

y-軸：豎直向上；

z-軸：Z軸與X、Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

圖4 壓力平衡肘約束位置及支座位置剛性桿連接

表2 壓力平衡肘約束方式

表3 載荷

表4 載荷工況表

表5 主管道最大應(yīng)力強(qiáng)度值

2.2 載荷及工況組合

在進(jìn)行應(yīng)力分析時應(yīng)考慮以下荷載:管道自身重力、溫度載荷、壓力載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、基礎(chǔ)沉降。其中支吊架載荷采用ansys根據(jù)冷態(tài)吊零計算得出，并以該載荷進(jìn)行支吊架選型。本分析中所考慮的載荷及工況組合如表3、表4所示（此處只列出較危險工況）。

3.計算結(jié)果

3.1.應(yīng)力計算結(jié)果

表5列出了各工況載荷作用下，主管道的最大應(yīng)力強(qiáng)度值。

由表5力計算結(jié)果可以看出，應(yīng)力最大的工況為工況7，下面給出工況7載荷作用下，排汽管道各部分應(yīng)力云圖，如圖5至圖7所示。

圖5 工況7排汽管道頂面應(yīng)力云圖

圖6 工況7蓋板頂面應(yīng)力云圖

圖7 工況7 分流器頂面應(yīng)力云圖

4 結(jié)果校核及優(yōu)化

4.1 強(qiáng)度校核的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

本文根據(jù)JB4732鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對ansys分析所得結(jié)果進(jìn)行校核。分析設(shè)計法要求對容器各部位的各種應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計算，并根據(jù)應(yīng)力在容器上的分布、產(chǎn)生的原因以及對失效所起的作用將應(yīng)力進(jìn)行分類。根據(jù)其應(yīng)力校核準(zhǔn)則，在管道應(yīng)力校核中，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的載荷不同，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力兩大類。

一次應(yīng)力（P），是指由于壓力、重力與其他外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力;二次應(yīng)力（Q）是指由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力。

按照J(rèn)B4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，強(qiáng)度校核的判據(jù)有以下4個：

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SΙ應(yīng)不超過設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度值

（3）一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為

其中K為載荷組合系數(shù)，在JB4732-95中有詳細(xì)描述,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)，本分析中 K＝1.2。

Sm為材料在設(shè)計溫度下的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度，其數(shù)值為：Sm=min[375/2.6，235/1.5]=min[144.23，156.67] = 144.2 MPa

4.2 強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核嚴(yán)格按照上述強(qiáng)度校核的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。下表中列出了一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果（以下簡稱一次加二次應(yīng)力），校核判據(jù)為：ansys計算結(jié)果殼的上、下表面應(yīng)力強(qiáng)度之大值屬于一次加二次應(yīng)力，應(yīng)小于或等于3Sm，即3×144.2＝432.6MPa，中面應(yīng)力強(qiáng)度屬于一次局部薄膜應(yīng)力，應(yīng)小于或等于1.5kSm，即1.5×1.2×144.2＝259.56MPa。結(jié)合表5應(yīng)力計算結(jié)果，一次應(yīng)力，二次應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。

4.3 優(yōu)化減重

由4.2節(jié)可見在各工況載荷作用下，排汽管道強(qiáng)度均滿足要求。對照4.1節(jié)中排汽管道各部分應(yīng)力結(jié)果云圖，主垂直管道、主彎頭、蓋板、歧管均有較大安全裕度。以蓋板為例，其中面應(yīng)力強(qiáng)度為133.08Mpa，遠(yuǎn)小于一次許用應(yīng)力259.56Mpa；蓋板上圓板厚度原為30mm厚，考慮是否可以采用25mm厚鋼板。在工況7載荷作用下經(jīng)計算得到修改厚度后蓋板中面應(yīng)力強(qiáng)度為156.22Mpa，計算結(jié)果依然滿足一次許用應(yīng)力要求。修改厚度前后蓋板軸向變形由2.77mm增加到5.01mm剛度依然滿足要求，考慮到蓋板要有足夠的剛度，此處圓板厚度采用25mm厚鋼板，不可再減薄。其它部位排汽管道同樣采用該方法，根據(jù)優(yōu)化方案重新建立排汽管道的有限元模型并進(jìn)行有限元分析驗證優(yōu)化方案是否可行，對排汽管道進(jìn)行基于CAD和CAE的閉環(huán)設(shè)計。優(yōu)化前后排汽管道重量分別為933t和884t，共減重49t。

5 結(jié)論

直接空冷排汽管道系統(tǒng)體積龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難通過現(xiàn)場試驗的方法對其進(jìn)行分析和校核。文采用ansys建立了600MW空冷機(jī)組排汽管道的模型，較真實的模擬了地震、風(fēng)載等各種類型的載荷條件，求得其在各種工況載荷下的應(yīng)力結(jié)果，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，證明其滿足強(qiáng)度要求。用冷態(tài)吊零的方法計算的到支吊架的載荷值，為排氣管道支吊架選型提供參考。結(jié)合計算結(jié)果對排汽管道進(jìn)行基于CAD和CAE的閉環(huán)設(shè)計減重優(yōu)化，從而得到最佳的設(shè)計方案。