太陽(yáng)能光熱電站熔融鹽管道支吊架應(yīng)力分析

摘" 要：在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域開展管道設(shè)計(jì)工作時(shí)，為研判管道布置是否安全、合理，支吊架設(shè)計(jì)是否正確，需對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析。管道應(yīng)力分析有多種方法，如圖表法、目測(cè)法、計(jì)算機(jī)分析法和模型分析法等，方法的選擇應(yīng)結(jié)合管道的操作壓力、公稱直徑、操作溫度和連接的設(shè)備類型等確定。以國(guó)內(nèi)某光熱電站為例，使用ANSYS Workbench軟件計(jì)算分析站內(nèi)管道支吊架的應(yīng)力情況，通過(guò)搭建管道支吊架的三維有限元模型，選取多種工況對(duì)管道支吊架進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升管道支吊架的可靠性，以供參考。

關(guān)鍵詞：光熱電站;熔融鹽;管道支吊架;應(yīng)力分析;三維有限元模型

中圖分類號(hào)：TK513" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）09-0101-04

Abstract： When carrying out the pipeline design work in the field of engineering design， it is necessary to analyze the stress of the pipeline in order to determine whether the pipeline layout is safe and reasonable and whether the support and hanger design is correct. There are many methods for pipeline stress analysis， such as chart method， visual measurement method， computer analysis method， model analysis method and so on. The selection of the method should be combined with the operating pressure， nominal diameter， operating temperature and connected equipment type of the pipeline. Taking a domestic photothermal power station as an example， the stress of the pipe support and hanger in the station is calculated and analyzed using ANSYS Workbench software. By building the three-dimensional finite element model of the pipeline support and hanger， the stress of the pipeline support and hanger is analyzed under various working conditions， and the structure is optimized combined with the data results to improve the reliability of the pipeline hanger for reference.

Keywords： photothermal power station; molten salt; pipe support and hanger; stress analysis; three-dimensional finite element model

為達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，積極尋找新能源構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，太陽(yáng)能在可再生清潔能源中發(fā)展使用較為成熟，開發(fā)及應(yīng)用太陽(yáng)能受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。隨著智能技術(shù)、環(huán)保技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，有關(guān)光熱發(fā)電的技術(shù)日臻成熟。在太陽(yáng)能光熱電站中，熔融鹽管道時(shí)非常重要的管道之一，一般情況下，此管道在工作中需要承受較高的溫度，且若發(fā)生特定情況將出現(xiàn)嚴(yán)重的溫度波動(dòng)，此時(shí)將對(duì)管道產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，時(shí)間一久便會(huì)導(dǎo)致支吊架出現(xiàn)斷裂或形變的情況，致使管道及有關(guān)設(shè)備的使用時(shí)限受到嚴(yán)重影響。合理調(diào)整支吊架能夠避免發(fā)生安全事故，優(yōu)化管道確保其均衡受力，促使管道能夠長(zhǎng)時(shí)間投入使用。

1" 有限元模型

1.1" 構(gòu)建模型

以國(guó)內(nèi)某光熱電站熔融鹽管道支吊架為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。此支吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用戶板式，測(cè)算的主要位置是護(hù)板及焊縫等極易發(fā)生斷裂事故的位置[1]。

管徑為60.3 mm×3.91 mm，長(zhǎng)度截取100 cm。管道外部敷有巖棉保溫層厚度為60 cm。管道護(hù)板X方向厚度為1.3 cm，Y方向?qū)挾?.2 cm，Z方向?qū)挾?.75 cm。管道與護(hù)板間的焊接空隙為0.1 cm。支撐管兩側(cè)配有加強(qiáng)板厚度為1 cm，為避免管道的位置發(fā)生移動(dòng)，在支撐管的上方、左方及右方設(shè)置限位卡塊。為方便支撐管沿X方向及Y方向移動(dòng)，將支撐管底部切割出0.1 cm的平面，將線性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|。

1.2" 劃分網(wǎng)格

受焊縫周圍形狀不規(guī)則，且要在不同結(jié)構(gòu)交界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)涔蚕恚虼耍瑒澐志W(wǎng)格的方式選取Automatic劃分法[2]，四面體網(wǎng)格與掃掠型網(wǎng)格相結(jié)合，對(duì)于形狀較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)掃掠產(chǎn)生六面體網(wǎng)格，對(duì)于形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)則生成四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格相關(guān)中心設(shè)置為細(xì)化，網(wǎng)格相關(guān)度設(shè)為100，最后網(wǎng)格劃分結(jié)果為484萬(wàn)塊。具體如圖1所示。

1.3" 應(yīng)力校核

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度（S2）、管道應(yīng)力強(qiáng)度（S3）、一次應(yīng)力加二次應(yīng)力（S4）當(dāng)滿足下述條件，能夠滿足安全需要：S2≤1.5S3，S4≤3S3。文中管道應(yīng)力強(qiáng)度為132.7 MPa。由此，能夠得到上述應(yīng)力強(qiáng)度校核條件為

一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度

PI≤1.5S3=199.08 MPa， （1）

彎曲應(yīng)力+薄膜應(yīng)力強(qiáng)度

PI+PL+Q≤1.5S3=199.08 MPa， （2）

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度

PI+PL+Q≤3S3=398.10 MPa， （3）

式中：Q為二次應(yīng)力強(qiáng)度，MPa。

1.4" 計(jì)算參數(shù)

347H焊接鋼為管道與焊縫的材料，304不銹鋼和321不銹鋼為螺母、吊桿、鋼板等組件的材料，RT-WM650巖棉是保溫材料。

17.500 W/（m·K）為347H不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，7 960 kg/m3為密度，192.0 GPa為彈性模量，1.30×10-6K-1為熱膨脹系數(shù)，0.310為泊松比，500 J/（kg·K）為比熱容，206.85 MPa為屈服極限。

0.042 W/（m·K）為RT-WM650巖棉導(dǎo)熱系數(shù)，100 kg/m3為密度，0.226為泊松比，6.2 GPa為彈性模量。

文章研究的熔融鹽管道及其支吊架，用傳熱關(guān)聯(lián)式Dittus-Boelter表達(dá)管內(nèi)強(qiáng)制湍流對(duì)流換熱[4]

NV=0.23Re0.8Prn ，（4）

式中：Pr為普朗特?cái)?shù);Re為雷諾數(shù);n為Dittus-Boelter公式的系數(shù)，冷卻流體n取0.3，加熱流體n取0.4。

Re=， （5）

Pr=， （6）

式中：d為管道內(nèi)徑，單位是m;u為流體流速，單位是m/s;v為運(yùn)動(dòng)黏度，單位是m2/s;λ為流體導(dǎo)熱率，單位是W/（m·K）;cp為定壓比熱容，單位是J/（kg·K）;結(jié)合管道參數(shù)，能夠得到當(dāng)u為3 m/s情況下，管道間與熔融鹽不同溫度下對(duì)流換熱系數(shù)。

2" 應(yīng)力計(jì)算

2.1" 工況選取

此次選取工作中常見(jiàn)的6種工況進(jìn)行分析計(jì)算[5]，在分析其應(yīng)力分布情況中，結(jié)合其數(shù)據(jù)選取工況如下。分別選取穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)停機(jī)這2種穩(wěn)態(tài)工況，2種情況下管道內(nèi)的熔融鹽溫度分別為585.00 ℃及270.00 ℃;選取4種瞬態(tài)工況，分別為瞬態(tài)停機(jī)工況、瞬態(tài)啟動(dòng)工況、極限云遮工況和低溫運(yùn)行工況。對(duì)于瞬態(tài)停機(jī)工況而言，熔融鹽溫度能夠在1 140 s由585.00 ℃降至270.00 ℃，降溫速率為0.276 ℃/s。對(duì)于瞬態(tài)啟動(dòng)工況而言，熔融鹽溫度能夠在1 140 s由270.00 ℃升至585.00 ℃，升溫速率為0.276 ℃/s。上述2種工況均每天發(fā)生一次。對(duì)于低溫運(yùn)行工況而言，機(jī)組將經(jīng)歷快速降溫，熔融鹽溫度能夠在75 s內(nèi)由450.00 ℃降至290.00 ℃，降溫速度為2.133 ℃/s。對(duì)于極限云遮工況而言，機(jī)組將經(jīng)歷變化最為激烈的降溫，熔融鹽溫度能夠在75 s內(nèi)由585.00 ℃降至290.00 ℃，降溫速率為2.133 ℃/s，此情況每年能夠發(fā)生30次。

重力、管道內(nèi)部壓力、溫度和給定的固定支撐組成管道所受載荷，結(jié)果綜合了溫度場(chǎng)及機(jī)械載荷。溫度載荷加載至支吊架和廨內(nèi)外表面的方式是熱對(duì)流[6]，為保證溫度設(shè)為22 ℃，將保溫層管道和上下端面設(shè)為絕熱。

固定中心管道及支架兩側(cè)，沿Z軸施加重力，在管道內(nèi)表面加載6.3 MPa工作壓力。由于在溫度波動(dòng)情況中極限云遮工況是最為激烈的工況，且其環(huán)境較為惡劣，因此，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

2.2" 計(jì)算極限云遮工況的結(jié)果

在極限云遮工況下使用熱分析方式計(jì)算其應(yīng)力結(jié)果，如圖2所示為管道溫度場(chǎng)。495.43 ℃為管道的外壁溫度，372.61 ℃為內(nèi)壁溫度，122.82 ℃為其溫差;32.41 ℃為保溫層的溫度，相較外壁溫度相差463.02 ℃。

由于在此工況下，熔融鹽降溫速度較快較為激烈，而保溫層和管道徑向散熱較慢，因此，極易在管道的內(nèi)外形成巨大的溫差。耦合分析[7]溫度場(chǎng)的結(jié)果和結(jié)構(gòu)，取得管道等效應(yīng)力分布情況，64.00 MPa為管身應(yīng)力值，護(hù)板附近發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別在護(hù)板之間和護(hù)板內(nèi)尖角位置的管道部分，應(yīng)力值高達(dá)233.55 MPa。

此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象有兩點(diǎn)原因。其一，管道溫度較高發(fā)生熱脹反應(yīng)但受護(hù)板制約，出現(xiàn)較強(qiáng)熱應(yīng)力，制約越高則熱應(yīng)力越大。其二，礙于管道的內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，在產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)受熱脹不均勻所影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，計(jì)算得出的最大局部應(yīng)力超出允許使用的應(yīng)力數(shù)值，但尚不能符合管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

對(duì)于欠缺連續(xù)性的結(jié)構(gòu)區(qū)域，對(duì)易于出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行路徑劃定，線性路徑沿沿著管道厚度方向劃定，判定分析此區(qū)域內(nèi)的彎曲應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力、總應(yīng)力。結(jié)合應(yīng)力分布情況，將路徑劃分成為3條，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示為詳細(xì)路徑情況。路線A為處于護(hù)板間的管道部分;路線B為處于護(hù)板尖角處;路線C為處于護(hù)板環(huán)向中點(diǎn)。

具體計(jì)算結(jié)果如下：評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值為總應(yīng)力413.70 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力206.85 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力206.85 MPa。路徑A總應(yīng)力253.86 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力232.12 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力56.53 MPa。路徑B總應(yīng)力205.34 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力169.69 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力58.54 MPa。路徑C總應(yīng)力172.06 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力171.88 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力69.33 MPa。結(jié)果顯示除路徑A的薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力不符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，其余均在安全范圍內(nèi)。路徑A存在安全性問(wèn)題。

3" 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.1" 模型優(yōu)化

為滿足安全需求，將管道支吊架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用管夾式結(jié)構(gòu)取代護(hù)板式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后主要考察管夾和管道接觸部位，其附近易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域。相關(guān)管道和保溫層的結(jié)構(gòu)數(shù)值同上。48 cm為管夾內(nèi)徑，51.2 cm為外徑，11 cm為高度，1.6 cm為厚度;管夾上下的2個(gè)限位卡塊與管夾間留出0.3 cm的空間;與管夾相接的弧形板為4塊，弧形板的長(zhǎng)為39 cm，高2 cm，弧度夾角為27.28°。限制管道在X方向和Y方向移動(dòng)是由4塊端板所實(shí)現(xiàn)，劃分311萬(wàn)網(wǎng)格，如圖4所示。在開展計(jì)算時(shí)，固定管道中心，在管道的上下兩端施加定力和移動(dòng)。

3.2" 極限云遮工況計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算管身應(yīng)力為83.79 MPa，由上下兩端至中心逐漸調(diào)整的施力強(qiáng)度，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)于管夾與管道接觸的位置，214.93 MPa為最大應(yīng)力。結(jié)合應(yīng)力分布情況，在出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域管道和管夾接觸位置，建立一條線性化路徑，路徑建立沿管道厚度方向，對(duì)路徑進(jìn)行計(jì)算，路徑具體情況如圖5所示。具體計(jì)算情況為總應(yīng)力218.0 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力204.59 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力57.90 MPa。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在極限云遮工況下，應(yīng)力強(qiáng)度均符合強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)臨界值。

3.3" 其他工況計(jì)算結(jié)果

采取相同的辦法計(jì)算其他工況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1數(shù)值顯示，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，管道在這6種工況下總應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及一次局部薄膜應(yīng)力均符合安全要求。

4nbsp; 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建管道支吊架的三維模型，選取幾種工況，計(jì)算在不同工況下管道的應(yīng)力分布及溫度情況，找到發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域，按照標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995對(duì)此區(qū)域進(jìn)行彎曲應(yīng)力、總應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力的安全性校核。對(duì)其進(jìn)行區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果顯示能夠有效提升管道的整體性能。最后得到詳細(xì)結(jié)論如下。

1）由于熔融鹽管道運(yùn)行溫度較高，若溫度發(fā)生波動(dòng)管道出現(xiàn)熱脹情況，受護(hù)板和管夾的牽制，比較容易發(fā)生熱應(yīng)力。同時(shí)受距離的影響，在距離管夾及護(hù)板距離越近承受的應(yīng)力越大，發(fā)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象更加頻繁，在實(shí)際開展作業(yè)中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

2）由于管道結(jié)構(gòu)不具備連續(xù)性，因此，測(cè)試應(yīng)力集中區(qū)域的彎曲應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力及總應(yīng)力進(jìn)而判斷管道的安全性。測(cè)試結(jié)果顯示，在處于最危險(xiǎn)的極限云遮工況下，護(hù)板與護(hù)板之間及護(hù)板的內(nèi)部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力不能夠滿足安全施工的要求，應(yīng)消除其安全隱患。

3）經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，將管夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良后，能夠滿足全部工況作業(yè)藥企，相關(guān)測(cè)試結(jié)果均在要求指標(biāo)范圍內(nèi)，但在極限云遮工況下，彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力雖極為接近安全要求，但為保證整體運(yùn)行的安全性，應(yīng)做進(jìn)一步優(yōu)化處理。

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第一作者簡(jiǎn)介：于洋（1992-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榘l(fā)電廠實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。