敦化電站球閥閥體剛強度分析計算

姜鐵良， 劉晶石

(哈爾濱大電機研究所， 哈爾濱 150040)

敦化電站球閥閥體剛強度分析計算

姜鐵良， 劉晶石

(哈爾濱大電機研究所， 哈爾濱 150040)

為實現(xiàn)水電機組運行檢修安全，對敦化水電站球閥整個閥體，并將上游連接管、游離法蘭、下游連接管等連接設備進行整體有限元分析計算，相比單獨計算閥體方式可以得到更加符合實際的結(jié)果。通過計算結(jié)果表明，球閥閥體設計方案能夠滿足剛強度許用要求。

球閥；剛強度；有限元分析；水電站

球閥作為水電站的關(guān)鍵設備,對機組的事故保護及機組檢修安全有著重要作用。球閥內(nèi)部包括上游連接管、下游連接管、游離法蘭、閥體、閥門等部件，而其中閥體的剛強度對整個球閥的性能和安全有著決定性的影響。因此，行業(yè)內(nèi)通常做法是基于ANSYS軟件對球閥閥體進行剛強度有限元分析，而目前對球閥閥體的有限元計算還只是停留在針對閥體自身單獨分析計算，并沒有考慮閥體與其他連接部件之間的影響[1-5]，導致計算結(jié)果并不能完全符合實際。針對這一問題，以敦化電站為例，將球閥閥體、上下游連接管、游離法蘭等部件作為一個整體進行有限元分析，部件之間通過接觸單元進行連接，完全模擬實際工作狀態(tài)，確保能夠得到真實的計算結(jié)果。

1 有限元模型建立

為了將閥體與其他部件進行整體分析，需要取上游連接管+游離法蘭+閥體+游離法蘭+下游連接管+地腳支架作為整體計算模型，如圖1所示，全部采用實體單元進行有限元網(wǎng)格劃分。對于上游連接管與游離法蘭、游離法蘭與閥體、閥體與游離法蘭、游離法蘭與下游連接管之間的接觸面，可采用節(jié)點對節(jié)點的接觸單元仿真模擬，同時考慮螺栓的作用，螺栓與連接管法蘭之間同樣采用接觸單元進行模擬，螺栓上施加給定的預緊力，模型中X為水流方向、Y方向為垂直地面方向、Z為樞軸方向。

1.1 電站基本參數(shù)

敦化電站球閥的基本參數(shù)如下：

球閥公稱直徑：2100 mm

最大靜水壓：7.80 MPa

設計壓力：11.37 MPa

閥門最大可能承受壓力：10.29 MPa

閥門打壓壓力：13.65 MPa

最大流量：62.4 m3/s

圖1 球閥及相關(guān)部件有限元計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Calculation mode of finite element of spherical valve and related components & mesh generation

1.2 部件材料性能及許用應力

整個模型各部件的材料和許用應力標準如表1所示。對于由有限元法計算得到的應力，國際上通行的許用應力選擇方法是ASME的分析應力準則。ASME標準第8卷第2冊給出了一些用有限元法計 算應力的限制應力，并將應力分類如下：

Pm為一次總體薄膜應力；

PL為一次局部薄膜應力(不連續(xù)但沒有應力集中)；

Pb為 一次彎曲應力；

Q為二次薄膜應力+不連續(xù)的彎曲應力。

根據(jù)ASME-Ⅷ-2部分，各類應力強度限制見表1-表2。

表1 各類應力強度的限制Table 1 Limitation to the following kinds ofstress intensity

表2 ASME規(guī)范許用應力強度限制Table 2 Limitation to allowable stress intensity of ASME code

1.3 邊界條件

邊界條件：約束地腳螺栓連接處垂直于地面方向的自由度， 并約束球閥上游連接管端面所有節(jié)點

圖2 閥門全開工況載荷及邊界條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of load in fully operating condition of valve & boundary condition

的水流方向自由度。閥門全開工況、檢修密封投入和工作密封投入工況的載荷及邊界條件如圖2-4所示。

圖3 檢修密封投入工況載荷及邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of load in operating condition for maintenance seal input & boundary condition

圖4 工作密封投入工況載荷及邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of load in operating condition for work seal input & boundary condition

1.4 工況載荷

計算主要分析了8種工況，壓力情況如表3所示。其中工況1、工況2分別為閥門打開時，閥體承受最大靜水壓力和設計壓力；工況3-工況5分別為檢修密封投入閥門關(guān)閉時，閥體承受最大靜水壓力、最大可能升壓壓力、設計壓力；工況6-工況8分別為工作密封投入閥門關(guān)閉時，閥體承受最大靜水壓力、最大可能升壓壓力、設計壓力工況。

表3 各個工況對應載荷數(shù)值表Table 3 Numerical list of corresponding load in every operating conditions

2 計算結(jié)果分析

2.1 閥門全開工況

此時密封退出，上游連接管、閥體和下游連接管同時承受相同的水壓力，承受的壓力分別是最大靜水壓力7.80 MPa，設計壓力11.37 MPa，即表3的1-2工況。通過有限元計算，球閥閥體在閥門全開工況應力和變形結(jié)果如表4所示。圖5-圖6為最大靜水壓力工況(7.80 MPa下)上游連接管、下游連接管以及閥體的應力和變形分布。

表4 閥門全開工況球閥各部件計算結(jié)果Table 4 Calculation results of every opponents of valve body in fully operating condition

圖5 閥門全開工況最大靜水壓下球閥各部件應力分布圖Fig.5 Stress distribution of every opponents of valve body under maximum hydrostatic pressure in fully operating condition

圖6 閥門全開工況閥體變形分布圖Fig.6 Deformation distribution of valve body in fully operating condition

2.2 檢修密封投入工況

此時檢修密封上游側(cè)與閥門承受水壓力，可能承受的水壓力值分別是最大靜水頭壓力7.80 MPa，最大承受壓力10.29 MPa，設計壓力11.37 MPa，投入腔內(nèi)的壓力都為7.80 MPa，同時閥軸孔處承受閥軸帶來的壓力，即表3的3-5工況。通過有限元計算，球閥閥體在檢修密封投入工況應力和變形結(jié)果如表5所示。圖7-圖8為最大靜水頭工況(7.80 MPa下)上游連接管、下游連接管以及閥體的應力和變形分布圖。

表5 檢修密封投入工況球閥各部件計算結(jié)果

Table 5 Calculation results of every opponents of valve body in operating condition for maintenance seal input

工況上游連接管閥體下游連接管平均應力/MPa局部峰值應力/MPa平均應力/MPa局部應力/MPa軸向變形/mm徑向變形/mm平均應力/MPa局部峰值應力/MPa工況3109.2293.840.595.11.70-0.67～0.4916.3145.2工況4134.8387.150.8120.22.21-0.87～0.6216.9150.3工況5149.2427.755.4130.42.44-0.96～0.6717.2153.0許用應力203.3610.0183.3275.0--203.3610.0

圖7 檢修密封投入工況最大靜水壓力下各部件應力分布圖Fig.7 Stress distribution of every opponents of valve body under maximum hydrostatic pressure in operating condition for maintenance seal input

圖8 檢修密封投入工況最大靜水壓力下閥體變形分布圖Fig.8 Deformation distribution of valve body under maximum hydrostatic pressure in operating condition for maintenance seal input

2.3 工作密封投入工況

此時工作密封上游側(cè)與閥門承受水壓力，可能承受的水壓力值分別是最大靜水頭壓力7.80 MPa，最大承受壓力10.29 MPa，設計壓力11.37 MPa，投入腔內(nèi)的壓力為7.80 MPa，同時考慮閥軸孔處承受閥軸帶來的壓力(即表3的6-8工況)。通過有限元計算，球閥閥體在工作密封投入工況應力和變形結(jié)果如表6所示。圖9-10為最大靜水頭工況(7.80 MPa下)上游連接管、下游連接管以及閥體的應力和變形分布圖。

表6 工作密封投入工況球閥各部件計算結(jié)果Table 6 Calculation results of every opponents of valve body in operating condition for work seal input

圖9 工作密封投入工況最大靜水壓力下各部件應力分布圖Fig.9 Stress distribution of every opponents of valve body under maximum hydrostatic pressure in operating condition for maintenance seal input

圖10 工作密封投入工況最大靜水壓力下閥體變形分布圖Fig.10 Deformation distribution of valve body under maximum hydrostatic pressure in operating condition for maintenance seal input

2.4 計算結(jié)果分析

通過在閥門全開、檢修密封和工作密封工況下的計算結(jié)果可以看出，敦化電站球閥閥體、上游連接管、下游連接管的強度在各個工況下均滿足ASME應力許用要求。由于結(jié)構(gòu)變形沒有標準，而結(jié)構(gòu)各部件的變形最大為2.44 mm，根據(jù)經(jīng)驗也在可接受范圍內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)的剛度也滿足要求。通過計算結(jié)果可以看出，上下游連接管的開孔位置集中應力較高，應該適當加強。

3 結(jié) 論

以敦化電站為實例，通過將球閥閥體、上游連接管、下游連接管、游離法蘭以及螺栓等作為一個整體進行有限元計算分析，并且考慮了部件可能經(jīng)受的各種工況，得到了相比于單獨分析閥體更加符合實際工作狀態(tài)的計算結(jié)果。通過對計算結(jié)果分析，敦化電站的球閥設計是完全滿足設計要求的。

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(編輯 李世杰)

Analysis and calculation on the rigidity and strength of spherical valve body in Dunhua power station

JIANG Tie Liang，LIU Jing Shi

(Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China )

In order to realize the safe operation and maintenance of hydro-power unit of Dunhua hydro-power station, analysis and calculation of holistic finite element were made on the whole valve body and several connection devices including the upstream linking pipe, free flange, downstream linking pipe. Compared with the way of separate calculation to valve body, it is able to get more actual results. Results show that the design scheme of spherical valve body can satisfy the allowable demand of rigidity and strength.

spherical valve; rigidity and strength; finite element analysis; hydro-power station

2016-11-04;

2017-02-27。

姜鐵良(1988-)，男，碩士，工程師，從事水輪機大部件的結(jié)構(gòu)分析和水電機組的現(xiàn)場振動測試分析工作。

TM312

A

2095-6843(2017)03-0268-06