超臨界機組主蒸汽管道P91熱壓彎頭強度分析

劉明，白佳

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

超臨界機組主蒸汽管道P91熱壓彎頭強度分析

劉明，白佳

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

采用有限元仿真分析方法對某600MW超臨界機組主蒸汽管道P91熱壓彎頭進行了強度分析，得到了90°彎頭結構在內壓作用下的應力分布規律，并依據仿真分析結果選擇測點位置，采用電阻應變測量技術對該彎頭的應力分布進行了試驗測試，測試結果與仿真分析結果吻合度較好，最后采用有限元仿真分析結果對該彎頭進行了強度校核。

熱壓彎頭；P91；應力測試；主蒸汽管道；仿真分析

0 引言

目前在熱力發電行業超臨界、超超臨界機組已得到普遍推廣運用，隨著火電廠機組容量和參數的不斷提高，對蒸汽管道的強度要求也越來越高。主蒸汽管道是火電機組的四大管道之一，在熱力系統中起到至關重要的作用，而彎頭是四大管道系統中的管件之一，并且也是管系中的應力集中區域之一。從力學角度看，彎頭結構的受力比較復雜，存在一定的應力集中現象，再加上其往往承受高溫、高壓及交變荷載的作用，易產生疲勞、蠕變損傷，嚴重時甚至斷裂[1]，因而其可靠與否直接影響到整個管道系統的正常運行。

對某600M W超臨界機組主蒸汽管道熱壓彎頭在內壓作用下的應力強度進行了試驗測試與有限元仿真分析計算，根據試驗測試和仿真分析結果對現有結構進行了強度校核，同時也為其他同類型彎頭構件的設計、制造及強度檢驗提供參考。

1 彎頭設計參數

該主蒸汽管道90°彎頭是通過鋼管熱壓成型工藝制造，材料為A SM E SA 335 P91，設計溫度576℃、設計壓力25.4M Pa，接管規格為ID 419.1×81m m，彎頭外壁最小設計壁厚81m m、內壁最小設計壁厚101m m，彎頭的設計結構如圖1所示。

圖1 彎頭設計結構示意如圖

圖2 仿真分析模型結構示意圖

2 有限元仿真分析

采用大型通用軟件A BA QU S 6.10對該熱壓90°彎頭進行有限元仿真分析。由于熱壓彎頭在推制過程中內外壁壁厚不均，彎頭內弧側結構比較厚，外弧側結構比較薄，在建模過程中也充分考慮了這些情況，結合彎頭設計圖紙，根據彎頭實測尺寸進行建模，彎頭部分測點實測壁厚值見表1。

為了更好的模擬彎頭實際工作狀態，也為了減小結構邊界的影響，建模時考慮了彎頭兩端的直管接管，其中接管長度取為2m。90°彎頭具有兩個對稱面，在仿真分析中，為了節省運算量，運用結構的對稱特性，將彎頭沿中性面剖開，取結構的一半進行仿真分析，其計算中的邊界條件按結構力學中的對稱邊界條件確定，在對稱面上施加法向位移約束，模型結構示意圖如圖2所示。

整個模型選用八節點六面體C3D 8R單元，為了提高計算精度和更清楚地了解其應力分布規律，彎頭區域單元適當加密，接管段網格逐漸稀疏。聯系彎頭實際工作情況及對比試驗工況，在此僅對彎頭施加內壓，取計算壓力為設計壓力（25.4M Pa），采用線彈性本構模型，材料計算參數見表2。

表1 彎頭壁厚實測值

表2 材料參數

為了便于對應力分布進行說明，在有限元模型上作如圖3所示的3路標記路徑，其中路徑P1在彎頭內弧側，路徑P2在彎頭中性層中間，路徑P3在彎頭外弧側。

彎頭在內壓作用下的m ises應力結果分布如圖4所示，其中沿路徑P1、P2、P3的應力分布曲線如圖5所示。應力計算結果表明，彎頭在設計內壓作用下，內壁應力較大，外壁應力較小，在內壁形成局部高應力區；中性層應力較內、外弧應力小；最大應力部位發生在彎頭內弧面內壁處，最大應力149M Pa。

根據仿真分析結果及彎頭應力分布特點可以得知，彎頭第一主應力為環向應力，第二主應力為軸向應力，第三主應力為壁厚方向應力。其中第一主應力（S1）、第二主應力（S2）、第三主應力（S3）分布云圖分別如圖6-圖8所示，應力計算結果表明，彎頭在受內壓作用時，內部產生的環形應力（第一主應力方向）較大，其分布形態與m ises應力分布相似。

圖3 彎頭路徑P 1、P 2、P 3示意圖

圖4 彎頭m ises應力分布云圖

圖5 彎頭沿P 1、P 2、P 3路徑m ises應力分布曲線圖

3 彎頭試驗應力測試

彎頭應力測試采用試驗應力分析中的電阻應變測量技術[2]，按照GB/T 16507.4-2013《水管鍋爐第4部分:受壓元件強度計算》標準中的應力驗證法對實際制造的彎頭進行應力強度測試。

試驗測試時在彎頭兩端焊接試驗工藝接管與封頭進行密封，并往彎頭內注入液壓油，通過液壓油加壓模擬彎頭受內壓時的工況。在彎頭內外壁同時粘貼應變片，測點位置參照表1中的壁厚測點布置，即應力測點布置在彎頭15°、30°、45°剖面區域，并在應力較大的中間截面加密布置測點，這樣就在內、外壁各布置16個測點。針對90°彎頭的受力特點（兩主應力方向分別為環向和軸向），所有測點都采用兩向直角應變花，分別定位于彎頭環向和軸向，貼片時應確保兩向直角應變花的兩個垂直應變片分別與彎頭的環向與軸向一致。

根據D L/T5054和美國A SM E B 31.1的規定，管件的試驗壓力應不低于1.5倍的設計壓力，即38.1M Pa，應力測試的最高試驗壓力取39.0M Pa。試驗壓力分為六個等級，分別為7M Pa，14M Pa，21M Pa，28M Pa，35 M Pa和39M Pa，試驗過程中逐級加壓，壓力從零升高至最高壓力后降回零，以消除應變片的機械滯后。而后進行正式測試，在每個壓力等級保壓后進行采樣，這樣循環三次，取三次循環的升降壓測試數據的平均值。

為便于與有限元仿真分析結果進行對比，對試驗測試所獲得的數據[3]采用插值法獲得在內壓25.4M Pa條件下各測點的應力值，并與有限元仿真分析結果進行對比如表3、表4所示。對比結果顯示，兩者吻合度較好，同時也顯示了有限元仿真分析計算方法較為合理，能夠準確的模擬彎頭受內壓工況。

圖7 彎頭第二主應力分布云圖

圖8 彎頭第三主應力分布云圖

4 強度校核分析

參考G B/T 16507.4-2013規定，彎頭應力分布可區分為一次應力、一次局部薄膜應力和二次應力，可以將一次應力區域稱為低應力區，將一次局部薄膜應力或二次應力的區域稱為高應力區[4]。

結合前文彎頭仿真分析結果可以發現，彎頭中性層區域應力受結構變形的影響較小，屬于低應力區域，彎頭內弧面和外弧面屬于高應力區域。參照G B/T 16507.4-2013《水管鍋爐第4部分:受壓元件強度計算》要求[4]，依照有限元仿真分析結果計算彎頭最高允許計算壓力，其中有限元仿真分析所得到的彎頭最大當量應力情況見表5。

根據上述計算結果計算彎頭最高允許計算壓力:

（1）低應力區域

（2）高應力區域

表3 彎頭內壁有限元仿真分析與試驗測試當量應力結果對比

表4彎頭外壁有限元仿真分析與試驗測試當量應力結果對比

式中Pysi—試驗溫度時的驗證壓力，（i=1，2，3，4），M Pa；

[σ]—設計溫度下的許用應力，M Pa；

P—設計壓力，M Pa；

σ′pdmax—低應力區域中內外壁平均應力的最大當量應力，M Pa；

σ′dmax—低應力區域中最大當量應力，M Pa；

σpdmax—高應力區域中內外壁平均應力的最大當量應力，M Pa；

σdmax—高應力區域中最大當量應力，M Pa。

Pys1，Pys2，Pys3，Pys4中的最小值為Pysmin=32.0M Pa，則可取由彎頭有限元仿真分析確定的最高允許計算壓力為:[P]=32.0M Pa，高于彎頭設計壓力25.4M Pa，顯示彎頭強度滿足設計要求。

表5 彎頭最大當量應力仿真分析結果

5 結語

通過有限元數值仿真與現場試驗測試兩種方式對某600M W超臨界機組主蒸汽管道熱壓90°彎頭進行了強度分析，兩者結果相互對比驗證，在校核了該彎頭的設計強度的同時，也為其他同類型彎頭構件的設計、制造及強度檢驗提供參考。

[1]劉學，白紹桐，張東黎，等.超超臨界機組再熱蒸汽管道熱推彎頭強度分析[J].華電技術，2008，30（2）:22-25．

[2]戴福隆，沈觀林，謝惠民.實驗力學[M].北京:清華大學出版社，2010.

[3]劉明，胡鑫，郭延軍.江蘇潤揚管件有限責任公司P91熱壓彎頭應力測試報告[R].杭州:電力工業管道產品質量檢驗測試中心，2013.

[4]G B/T 16507.4-2013，水管鍋爐第4部分:受壓元件強度計算[S].北京:中國標準出版社，2013.

Strength Analysis of P91 Hot Pressing Elbow in Main Steam Pipeline of Supercritical Unit

LIU Ming，BAI Jia
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The analysis m ethod of m ain steam pipeline of P91 hotpressing elbow ofa 600M W supercritical unit strength analysis using finite elem entsim ulation，gota 90 degree bend structure underinternalpressure stress distribution, and on the basis ofthe sim ulation results selectthe m easuring position，the resistance strain m easurem enttechnique on the stress distribution ofthe elbow the test，the testresults and the sim ulation results is better，finally using the finite elem ent sim ulation resultsofthe bend strength waschecked.

hot pressing elbow；P91；stress test；m ain steam line；sim ulation analysis

TK 225

B

2095-3429（2017）02-0007-05

2017-03-20

修回日期:2017-04-06

劉明（1985-），男，安徽宣城人，碩士，工程師，主要從事管道應力計算分析、管道振動分析與治理及支吊架優化調整工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.002