50MW級太陽能光熱電站熔鹽泵軸系強度評定與疲勞分析

袁向陽，陳 寧，胡永海

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海201316）

1 研究背景

熔鹽是一種物理特性優良的熔融鹽，常溫下為固態。熔鹽導電率較高，使用的溫度范圍也較廣，蒸汽壓低，熱容量大，且化學性質穩定。這些優點使得熔鹽不僅在化工產品的制備中得到大量應用，也使熔鹽被廣泛地用作蓄熱材料和傳熱介質[1-2]。

高溫熔鹽泵是熔鹽介質的輸送泵，廣泛應用于化工行業、核能及太陽能領域[3]。50MW級太陽能光熱電站中的熔鹽泵是光熱電站的主循環泵，其結構形式是立式多級長軸泵，屬于API610標準中的VS類型泵。其葉輪級數為四級，輸送介質為液態二元熔鹽Solar Salt60%NaNO3-40%KNO3，凝固點是223～238℃，設計溫度為400℃[4]，設計壽命大于等于30年。

由于太陽能光熱電站熔鹽泵運行溫度高，揚程高，為保證一定的儲熱量，罐體容量大，泵體較其他熔鹽系統更長，并且需要每天開機停機，使軸處于一種重復性工作狀態。另外，軸工作溫度較高，壓力較大，容易產生熱應力。而且，轉子轉動附有機械載荷，轉速較高，可達297 rad/s。轉子在這種工況下，容易產生疲勞損傷。故此，對轉子進行疲勞分析非常有必要。

近年來，部分學者對熔鹽泵展開研究，主要包括口環間隙對熔鹽泵性能及轉子受力與形變的影響[5]；高溫熔鹽泵軸承冷卻方案的選擇[6]，以及熔鹽泵軸承風冷系統的設計[7]等。然而，目前為止，還未發現關于熔鹽泵軸系強度方面研究的相關報道。由于熔鹽泵為立式長軸泵，因此，軸系的安全性對于熔鹽泵的穩定運行至關重要，本文評定了熔鹽泵軸系在高溫下的結構安全性和疲勞壽命。

2 分析方法

2.1 幾何模型

熔鹽泵為VS1型立式懸吊長軸泵，包括傳動部件主軸、葉輪、平衡鼓、推力盤以及外筒體、導流殼、上下軸承體等，其中軸長約15 m，聯動電機帶動整泵運轉，通過四級葉輪逐級增壓來滿足熔鹽泵水力性能要求。為方便表述，本文將軸按照上下順序編號為軸1-軸6（圖1）。由于太陽能光熱電站熔鹽泵采用四級葉輪與導葉周期布置結構，4級葉輪受力位于軸3、軸 4、軸 5和軸 6上，因此，軸 3、軸 4、軸 5和軸 6的結構和受力完全相同，所有聯軸器和鍵的受力情況也相同，可以簡化計算。本文在疲勞分析中將對軸1、軸2、軸3和軸6分別進行分析。

圖1 熔鹽泵軸幾何造型及命名

2.2 計算模型及邊界條件

參考軸的支持形式，在上滑動軸承處設置軸向約束和徑向約束，下滑動軸承處設置徑向約束（圖2）。

圖2 軸上下約束位置

軸的破壞主要由扭矩剪應力引起，所以在評定時考慮最高轉速工況，即600℃，轉速1 450 r/min。軸的扭矩功率分析所得，并通過功率和扭矩的轉換公式，即M=9 550×P/n。P為軸功率，M為計算得到的扭矩，n為轉速。具體數值如表1所示。

表1 軸上的作用力

有限元模型中，采用四面體單元對幾何模型進行劃分，同時為了獲得較精確的結果，在主軸鍵槽應力集中部位進行細化。

2.3 選取疲勞曲線

低周疲勞是在循環次數與應力相對較低的，而應變較高時發生的變形與疲勞失效的關系，一般采用E-N曲線；高周疲勞是在循環次數與應力較高，而應變較低的情況下產生的載荷與疲勞失效的關系，一般采用應變S-N曲線表示其中S為交變應力，N為次數。由于軸系的疲勞失效主要是由于熱應力以及機械載荷引起，而且軸系機構的壽命試驗要求也很高，軸系的疲勞類型為高周疲勞，所以采用應力SN曲線。

疲勞曲線S-N的選取根據ASME 2007 SECTION VIII---DIVITION 3中的ARTICLE KD-3中的內容，由于軸材料42CrMo在400℃時的屈服極限為714 MPa，根據的屈服極限范圍選取軸材料相對應的疲勞曲線。由于疲勞校核S-N曲線也即交變應力S與次數N的曲線。而交變應力的描述也即通過循環特性及應力幅σa表現出來（圖3示）。ANSYS的疲勞壽命分析模塊Fatigue Tool采用Equivalent（vonmises）應力值。所以，選取標準應力數值2倍即為SN曲線縱坐標交變應力值，S-N曲線具體數值數值見表2。

圖3 應力幅σa示意圖

表2 S-N疲勞曲線數值

3 分析結果與評定

3.1 軸系強度分析

根據美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）標準附錄S的要求，需要提取軸的軸向應力其值是拉伸（或壓縮）引起的應力與彎曲應力之和，同時還需提取剪切應力。所提取應力部位必須包含高應力區和經驗上的危險區，如軸徑突變明顯，鍵槽，鍵槽附近處）。

考慮到高溫情況下的許用應力較小，且靠近鍵槽區域可能存在較大應力，因此，在鍵槽下部也選取了相應的截面進行分析評定，同時對鍵也進行安全評定。

如圖4所示，鍵槽根部存在較為明顯的應力集中，在鍵槽應力集中部位做截面，并提取應力分布，軸向最大拉彎應力（Sb+St）為57.92平均拉彎應力為16.43 MPa，最大剪切應力為9.7 MPa，平均剪切應力為1.53 MPa。

圖4 鍵槽處應力分布

在鍵處提取相應截面的應力分布如圖5所示。其中軸向最大拉彎應力為，平均拉彎應力為0.15 MPa，最大剪切應力為，平均剪切應力為0.84 MPa。

3.2 軸系強度評定

軸的評定采用ASME附錄S卷進行評定，其評定標準如下式：

其中，St為軸向應力；Sb為軸彎曲應力分量；Se為材料疲勞限值；Ss為最大剪切應力；Sss為材料許用剪切應力；Su為設計溫度下材料的抗拉強度限值；Sy為設計溫度下材料屈服強度限值。根據AMSEⅡD TABLE U/Y-1標準，鍵槽上部及鍵（600℃）的抗拉強度限值Su為390 MPa，屈服極限Sy為139 MPa。材料的抗拉強度和許用應力根據局部溫度所在位置確定。評定結果如表3所示。

圖5 鍵處應力分布

表3 軸強度評定

3.3 軸系疲勞分析

根據軸系的強度評定結果作為基礎，采用Fatigue Tool模塊的疲勞壽命計算方法，并且輸入上表3的疲勞曲線數值，可以得到軸1至軸6的疲勞壽命分析結果如圖6所示。

由圖6疲勞分析結果可以看出，軸6最低疲勞壽命為2.7138×104次循環。位置發生在軸承上表面階梯根部位置。

根據軸受力形式可知，軸在運行過程中受到的載荷為徑向力、轉子不平衡力、軸向力及轉動力矩，而在軸運轉時上述載荷一直存在，沒有發生變化，只有在開機、停機時載荷才會產生或消失。所以據此分析，軸系壽命計算的循環周期應為一次開停機。

圖6 軸系疲勞壽命云圖

據此可將以上計算所得的軸系循環次數轉化為壽命（以每個工作日開停機一次為標準），見表4。軸6處為最小工作壽命發生區域，最小工作壽命為為27138天（74.3年），大于等于設計壽命30年的要求。

表4 軸1-軸6疲勞壽命

4 結束語

本文采用ANSYS軟件對50MW級太陽能光熱電站熔鹽泵軸系強度分析計算并提取出評定所需的各應力值，通過ANSYS中的Fatigue Tool模塊對軸系疲勞壽命進行分析計算。通過提取軸系高應力區和經驗上的危險區（主要包括軸鍵槽下部和鍵），根據應力分布值和相關標準，驗證了軸系強度均滿足ASME相關標準的安全性要求。以軸系的強度評定結果作為基礎，選取相對應的疲勞S-N曲線校核軸系疲勞壽命，最容易產生疲勞區域位于軸6處，疲勞壽命約74年，滿足太陽能光熱電站熔鹽泵設計要求。